本發(fā)明屬于量子計算與高性能計算交叉領(lǐng)域，涉及量子計算機(jī)與超級計算機(jī)融合架構(gòu)及協(xié)同計算技術(shù)，具體是一種量子計算機(jī)與超級計算機(jī)連接融合方法。

背景技術(shù)：

1、隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，量子計算作為一種極具潛力的計算范式，吸引了廣泛關(guān)注。量子計算機(jī)憑借量子比特的獨特性質(zhì)，如量子疊加和糾纏，有望在特定計算領(lǐng)域展現(xiàn)出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計算機(jī)的性能優(yōu)勢。

2、常見的量子計算機(jī)架構(gòu)主要包含量子測控系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)和芯片系統(tǒng)三個部分。在現(xiàn)有量子計算機(jī)與超級計算機(jī)融合計算任務(wù)的方法中，通常是簡單地將任務(wù)內(nèi)容進(jìn)行劃分，分別交由量子計算機(jī)和超級計算機(jī)處理各自部分，二者通過傳統(tǒng)信息傳遞方式進(jìn)行交互。例如在量子變分算法計算時，先由超級計算機(jī)準(zhǔn)備輸入量、構(gòu)建量子計算機(jī)輸入電路并優(yōu)化參數(shù)，之后量子計算機(jī)執(zhí)行量子電路并返回結(jié)果給超級計算機(jī)以進(jìn)一步優(yōu)化電路參數(shù)，如此反復(fù)迭代直至收斂。然而，這種方式存在明顯缺陷。

3、一方面，量子計算機(jī)與超級計算機(jī)并未實現(xiàn)深度連接融合，本質(zhì)上仍作為兩個獨立硬件設(shè)備各自獨立執(zhí)行任務(wù)，僅在最后合并數(shù)據(jù)結(jié)果。這種串行工作流程導(dǎo)致計算效率極為低下，大量時間耗費在數(shù)據(jù)傳遞和任務(wù)切換上，無法充分發(fā)揮量子計算機(jī)和超級計算機(jī)的協(xié)同優(yōu)勢。例如，在處理大規(guī)模復(fù)雜計算任務(wù)時，由于二者缺乏緊密協(xié)作，整體計算速度受到嚴(yán)重制約。

4、另一方面，隨著量子比特數(shù)量不斷增長，量子計算機(jī)自身系統(tǒng)在操控量子比特所需算力方面面臨限制。而當(dāng)前相對獨立的裝載算力系統(tǒng)的量子測控系統(tǒng)，不僅增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，還使得量子計算機(jī)與超級計算機(jī)之間的融合難度加大，不利于開展復(fù)雜任務(wù)操作。例如，在涉及眾多量子比特的高精度模擬計算中，獨立的量子測控系統(tǒng)難以高效協(xié)調(diào)量子計算機(jī)與超級計算機(jī)資源，容易導(dǎo)致計算資源浪費和任務(wù)執(zhí)行困難。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一；為此，本發(fā)明提出了一種量子計算機(jī)與超級計算機(jī)連接融合方法，用于解決現(xiàn)有利用量子計算機(jī)和超級計算機(jī)進(jìn)行計算時出現(xiàn)的計算效率低下，且二者系統(tǒng)難以融合的技術(shù)問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一方面提供了一種量子計算機(jī)與超級計算機(jī)連接融合方法，包括：

3、s1，構(gòu)建量子計算機(jī)架構(gòu)和超級計算機(jī)架構(gòu)，并通過硬件層實現(xiàn)量子計算機(jī)架構(gòu)和超級計算機(jī)架構(gòu)的連接；

4、s2，將計算數(shù)據(jù)輸入超級計算機(jī)，利用超級計算機(jī)的創(chuàng)新融合模塊對計算數(shù)據(jù)進(jìn)行任務(wù)分類，得到若干計算任務(wù)；

5、s3，利用超級計算機(jī)的ai模型預(yù)測若干計算任務(wù)分別在量子計算機(jī)和超級計算機(jī)上的執(zhí)行時間和資源消耗，并根據(jù)執(zhí)行時間和資源消耗調(diào)整若干計算任務(wù)在量子計算機(jī)和超級計算機(jī)上的分配比例；

6、s4，根據(jù)分配比例將計算數(shù)據(jù)傳輸至超級計算機(jī)和量子計算機(jī)進(jìn)行經(jīng)典計算和量子計算，并將經(jīng)典計算和量子計算的計算結(jié)果傳輸回超級計算機(jī)的中央節(jié)點，完成計算任務(wù)。

7、基于上述技術(shù)步驟，本發(fā)明通過構(gòu)建量子計算機(jī)架構(gòu)和超級計算機(jī)架構(gòu)并實現(xiàn)硬件層連接，打破了量子計算機(jī)與超級計算機(jī)獨立工作的局限，將兩者的優(yōu)勢相結(jié)合。實現(xiàn)了量子計算與經(jīng)典計算資源的整合，使得系統(tǒng)能夠在處理復(fù)雜計算任務(wù)時，充分利用量子計算在特定問題上的高效性和超級計算機(jī)在經(jīng)典計算方面的強(qiáng)大能力，提升整體計算能力。

8、進(jìn)一步地，所述量子計算機(jī)架構(gòu)，包括量子芯片系統(tǒng)和經(jīng)典控制與支持系統(tǒng)；其中，

9、所述量子芯片系統(tǒng)包括量子比特、量子比特互聯(lián)結(jié)構(gòu)和量子門操作模塊；

10、所述經(jīng)典控制與支持系統(tǒng)包括量子測控模塊、環(huán)境控制模塊和經(jīng)典計算資源模塊。

11、進(jìn)一步地，所述量子比特為量子信息的物理載體；

12、所述量子比特互聯(lián)結(jié)構(gòu)用于量子比特之間的信息交換；

13、所述量子門操作模塊用于對量子比特執(zhí)行量子邏輯門操作。

14、進(jìn)一步地，所述量子測控模塊用于將算力線路運行和量子線路運行的程序進(jìn)行劃分；

15、所述環(huán)境控制模塊用于維持量子比特所需的特定環(huán)境；其中，所述特定環(huán)境包括環(huán)境溫度、環(huán)境氣壓和環(huán)境光照；

16、所述經(jīng)典計算資源模塊用于利用經(jīng)典計算資源監(jiān)控和調(diào)節(jié)環(huán)境控制模塊；其中，經(jīng)典計算資源包括cpu、gpu。

17、進(jìn)一步地，所述將算力線路運行和量子線路運行的程序進(jìn)行劃分，包括：

18、判斷程序的實現(xiàn)方式是否基于量子力學(xué)直接原理；是，則將程序劃分至量子線路，由量子計算機(jī)執(zhí)行程序；否，則將程序標(biāo)記為算力線路，由超級計算機(jī)執(zhí)行程序。

19、量子測控模塊對程序進(jìn)行合理劃分，依據(jù)程序是否基于量子力學(xué)原理，將其分配到量子或超級計算機(jī)執(zhí)行，確保了計算任務(wù)在兩種計算資源間的合理分配，使量子計算機(jī)專注于處理其擅長的量子相關(guān)計算任務(wù)，避免資源浪費，同時與超級計算機(jī)協(xié)同工作，實現(xiàn)量子計算與經(jīng)典計算優(yōu)勢互補(bǔ)，提高整體計算效率。

20、進(jìn)一步地，所述量子測控模塊還包括經(jīng)典控制單元、信號收發(fā)單元和算力處理控制單元；其中，

21、所述經(jīng)典控制單元通過傳輸接口與超級計算機(jī)中計算節(jié)點的輸入接口相連接；

22、所述信號收發(fā)單元的輸出端與超級計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口相連接，且信號收發(fā)單元用于傳輸算力處理單元的控制指令和計算數(shù)據(jù)，并輸出微波或激光脈沖控制信號至算力處理控制單元進(jìn)行計算；

23、所述算力處理控制單元用于完成量子計算機(jī)輸入信號的線路編譯、指令轉(zhuǎn)換、信號收發(fā)單元的控制，以及輸出信號的處理和傳輸反饋。

24、進(jìn)一步地，所述維持量子比特所需的特定環(huán)境，包括：

25、a1，利用傳感器收集環(huán)境溫度、環(huán)境氣壓以及環(huán)境光照數(shù)據(jù)，得到監(jiān)控數(shù)據(jù)；

26、a2，實時獲取量子比特的熱激發(fā)率，當(dāng)熱激發(fā)率大于最大預(yù)設(shè)閾值時，啟動調(diào)節(jié)機(jī)制對監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至熱激發(fā)率小于最小預(yù)設(shè)閾值。

27、環(huán)境控制模塊通過傳感器收集環(huán)境數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控環(huán)境溫度、氣壓和光照等參數(shù)，并依據(jù)量子比特?zé)峒ぐl(fā)率調(diào)節(jié)環(huán)境，保障量子比特的穩(wěn)定性，降低量子比特退相干風(fēng)險，延長量子比特的相干時間，從而提高量子計算的準(zhǔn)確性和可靠性。穩(wěn)定的量子比特狀態(tài)是實現(xiàn)精確量子計算操作的基礎(chǔ)，有助于提升量子計算整體性能。

28、進(jìn)一步地，所述超級計算機(jī)架構(gòu)包括創(chuàng)新融合模塊、計算節(jié)點、中央節(jié)點、異構(gòu)操作系統(tǒng)、量子任務(wù)管理模塊、高精度同步模塊以及存儲融合模塊；其中，

29、所述創(chuàng)新融合模塊，用于利用基于深度學(xué)習(xí)的任務(wù)分類模型對計算數(shù)據(jù)進(jìn)行任務(wù)分類；

30、所述計算節(jié)點，用于接收并執(zhí)行分配的計算任務(wù)；

31、所述中央節(jié)點，用于接收超級計算機(jī)若干計算節(jié)點以及量子計算機(jī)的計算結(jié)果；

32、所述異構(gòu)操作系統(tǒng)，用于執(zhí)行步驟s3，且包括任務(wù)調(diào)度模塊、通信模塊、監(jiān)控模塊和資源管理模塊；

33、所述量子任務(wù)管理模塊，用于管理量子芯片和超級計算機(jī)的計算節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通道，并監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；

34、所述高精度同步模塊，用于利用時鐘同步技術(shù)和時間戳，將經(jīng)典計算和量子計算的執(zhí)行過程進(jìn)行時間同步；

35、所述存儲融合模塊，用于將量子態(tài)數(shù)據(jù)映射到經(jīng)典存儲器中，并利用分布式存儲管理機(jī)制，將超級計算機(jī)和量子計算機(jī)的計算結(jié)果保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性。

36、高精度同步模塊運用時鐘同步技術(shù)和時間戳，將經(jīng)典計算和量子計算的執(zhí)行過程精確同步，保證二者協(xié)同工作的準(zhǔn)確性和高效性，避免因同步問題導(dǎo)致的計算錯誤和延遲，確保量子計算與經(jīng)典計算在時間上緊密配合，提高計算流程的整體效率。量子任務(wù)管理模塊管理量子芯片與超級計算機(jī)計算節(jié)點間的數(shù)據(jù)通道，監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，確保數(shù)據(jù)快速、穩(wěn)定傳輸，避免串行通信瓶頸，提高數(shù)據(jù)交互效率，加速計算任務(wù)的執(zhí)行。

37、進(jìn)一步地，所述任務(wù)分類模型和所述ai模型基于深度學(xué)習(xí)算法構(gòu)建；其中，

38、所述任務(wù)分類模型的輸入為計算數(shù)據(jù)的線路深度和算法類型，輸出為任務(wù)類型；

39、所述ai模型的輸入為歷史若干計算任務(wù)的資源消耗、執(zhí)行時間以及計算過程中量子比特的退相干時間和熱激發(fā)率，輸出為若干計算任務(wù)在量子計算機(jī)和超級計算機(jī)上的執(zhí)行時間和資源消耗以及量子比特的退相干時間。

40、進(jìn)一步地，所述根據(jù)執(zhí)行時間和資源消耗調(diào)整若干計算任務(wù)在量子計算機(jī)和超級計算機(jī)上的分配比例，包括：

41、根據(jù)執(zhí)行時間和資源消耗設(shè)置若干計算任務(wù)在量子計算機(jī)和超級計算機(jī)上的初始分配比例；

42、若干計算任務(wù)按照初始分配比例將計算數(shù)據(jù)分別輸入至量子計算機(jī)和超級計算機(jī)內(nèi)進(jìn)行計算，并利用異構(gòu)操作系統(tǒng)中的監(jiān)控模塊監(jiān)控量子比特的實時性能和任務(wù)負(fù)載；其中，實時性能包括量子比特相干時間、門保真度以及量子比特錯誤率，任務(wù)負(fù)載包括計算任務(wù)復(fù)雜度、計算任務(wù)數(shù)據(jù)量以及量子計算機(jī)和超級計算機(jī)的資源利用率；

43、根據(jù)量子比特的實時性能和任務(wù)負(fù)載，對若干計算任務(wù)在量子計算機(jī)和超級計算機(jī)上的分配比例進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

44、借助超級計算機(jī)的ai模型預(yù)測執(zhí)行時間和資源消耗，并據(jù)此調(diào)整計算任務(wù)分配比例，實現(xiàn)了資源的動態(tài)優(yōu)化配置。可以根據(jù)量子計算機(jī)和超級計算機(jī)的實時性能以及任務(wù)的具體需求，靈活分配計算任務(wù)。使得系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的計算任務(wù)和硬件狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，提高了系統(tǒng)的魯棒性，能夠更好地滿足多樣化的計算需求。

45、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

46、通過硬件層連接量子計算機(jī)架構(gòu)和超級計算機(jī)架構(gòu)，實現(xiàn)了兩者的深度融合，打破了傳統(tǒng)獨立工作模式，使量子計算和經(jīng)典計算能夠協(xié)同進(jìn)行，提高整體計算效率；

47、通過內(nèi)置任務(wù)分類模型和ai模型，快速識別計算任務(wù)類型并進(jìn)行資源負(fù)載估計，實現(xiàn)了量子與經(jīng)典計算任務(wù)的實時調(diào)整和合理分配，可以根據(jù)量子計算機(jī)和超級計算機(jī)的實時性能以及任務(wù)的具體需求，靈活分配計算任務(wù)；

48、超級計算機(jī)架構(gòu)中的量子任務(wù)管理模塊確保了量子芯片和超級計算機(jī)計算節(jié)點之間的數(shù)據(jù)高速傳輸，避免通信瓶頸；存儲融合模塊實現(xiàn)了量子態(tài)數(shù)據(jù)與經(jīng)典存儲器的有效映射和數(shù)據(jù)一致性管理，減少了存儲轉(zhuǎn)換開銷和數(shù)據(jù)存取延遲，提高了數(shù)據(jù)管理的效率和可靠性，有助于提升整個計算系統(tǒng)的性能。