国内首款量子操作系统，可将QPU运行效率提升120%

光子盒研究院出品

自今年2月发布以来，国内首款量子计算机操作系统本源司南的具体性能如何，外界还不得而知。5月15日，本源量子联合中国科学技术大学、数学工程与先进计算国家重点实验室在中国科学院科技论文预发布平台ChinaXiv预发布的论文《本源司南：高效利用量子资源的量子操作系统》显示，本源司南可将量子线路的保真度至少提高10%，量子处理器的运行效率至少提高120%。

随着量子计算资源、量子计算需求以及普通用户的迅速增加，如何管理量子计算设备和高效使用量子计算资源等问题逐渐成为量子计算应用的关键障碍。为此，Henry Corrigan-Gibbs 等人首次提出量子操作系统的概念。

为了让开发人员只关注量子应用本身，而无需了解底层量子硬件（超导、离子阱等）的物理细节，英国的Riverlane公司发布了量子操作系统Deltaflow.OS。奥地利的ParityQC公司针对特定量子处理器的量子程序编译优化发布了量子操作系统ParityOS。

尽管上述量子操作系统在各自的方向都提出了解决方案，但是在量子资源使用方面，依然存在多量子处理器的调度和量子比特自动校准及优化等问题亟需解决。

多量子处理器的调度：当前基于云服务的量子计算机，量子程序使用的量子处理器是由用户自行选择设置，而非系统根据量子处理器的可用性、可满足性进行任务分配。这导致了局部量子资源排队拥堵，而其他量子资源闲置浪费。为提高效率，需要实现对多个量子程序按其消耗的计算资源（简称量子资源）在多个量子处理器中进行自动的资源分配与调度。

自动校准并优化量子比特质量：量子比特易受环境及噪声影响，并导致其性能不稳定，进而降低量子逻辑门的保真度，最终导致量子线路的运算结果不正确。及时校准是保持量子比特性能的主要手段，目前主要采用离线定时校准。显然，这样的校准方式有以下两个问题：a)两次校准间隔期间，量子比特质量无法保证；b)校准过程中，质量良好的比特无法提供计算服务，造成计算资源的浪费。有鉴于此，谷歌名为Optimus的自动化校准系统，实现了按需校准，但尚不清楚其是否实现了在线校准。

针对以上挑战，研究团队提出能高效利用量子资源的量子操作系统——本源司南。本源司南通过提供的量子线程调度、量子比特自动校准优化、量子程序编译、量子资源管理四个核心服务，有效地解决上述问题，提高了量子计算资源的使用效率。

为直观体现本源司南操作系统对量子资源的有效管理，对其进行不同的对比测试。

1.相同量子任务运行时间对比

该实验对比接入本源司南前后，多量子处理器在处理相同量子任务时的不同效率。通过运行GHZ线路的效果来验证本源司南支持单量子处理器并行计算和多量子处理器分布式计算的有效性。实验在真实的本源悟源量子处理器上（6比特超导）进行。

实验步骤：在未接入本源司南的本源量子云平台上，单量子处理器单线路方式下，记录执行10次2量子比特的GHZ线路的运行时间。在接入本源司南的云平台上，采用单量子处理器多线路并行、双量子处理器单线路、双量子处理器多线路并行等不同方式，分别记录执行10次2量子比特的GHZ线路的运行时间。将前面的过程重复10次。

不同方式下，执行实验任务所运行的时间下图所示：

GHZ线路的运行时间分布

由实验数据可见，本源司南支持单量子处理器并行计算与多量子处理器负载均衡，极大提高量子处理器的使用效率，在运行2量子比特的GHZ线路中运行效率至少提高120%。

2.量子比特自动化校准效果

为验证量子比特自动化校准的有效性，为本源悟源设置了一系列保真度阈值条件，当保真度低于阈值时，量子处理器上对应的量子比特将不能再提供服务。实验在真实的本源悟源量子处理器上进行。

分别进行3组自动化校准对比实验：

（1）单比特量子逻辑门保真度（校准/未校准）对比实验

•两个实验中均每隔为20分钟测量一次X门的保真度，共测量了30次；

•在校准实验中校准保真度阈值设置为0.98。

单比特保真度（校准VS未校准）变化比对图

（2）双比特量子逻辑门保真度（校准/未校准）对比实验

•两个实验中均每隔为20分钟测量一次CZ门的保真度，共测量了30次；

•在校准实验中校准保真度阈值设置为0.95。

双比特保真度（校准VS未校准）变化对比图

（3）量子处理器（校准/未校准）可运行量子任务数目对比实验

统计20分钟内量子处理器重复运行了同一个量子任务（2量子比特GHZ）的次数，共统计了30个周期（每个周期20分钟）。

量子计算机（校准VS未校准）可运行量子任务数比对图

从上述3组实验可以看出量子处理器在未开启自动化校准服务时单比特量子逻辑门保真度和双比特量子逻辑门保真度呈单一下降趋势；在接入自动化校准服务后单比特量子逻辑门和双比特量子逻辑门保真度可保持在0.98和0.95以上。

开启自动化校准服务后的量子处理器可持续提供服务，其运行程序的数目远大于未开启服务的量子处理器，后者在运行一段时间后就无法再提供服务。

3.量子比特映射效果

为验证本源司南对量子程序映射适配超导量子处理器拓扑结构和保真度的有效性，通过实验对四种代表性的量子程序进行了映射优化前后的保真度对比。该实验使用本源量子含噪声虚拟机完成，在虚拟机中构建的量子处理器的拓扑结构和量子比特间保真度数据下图所示：

本源量子含噪声虚拟机中量子处理器的拓扑结构与量子比特间双门保真度

实验步骤：

构建拓扑结构，模拟芯片为2×4的无向图拓扑结构，相邻比特间均可应用双门。

基于QPanda含噪声虚拟机进行配置（退相干、去极化噪声），在这里只考虑双门CZ的影响。

构建实验量子线路，运行QFT（量子傅里叶变换）、GHZ（Greenberger–Horne–Zeilinger实验）、DJ（Deutsch–Jozsa算法）、BV（Bernstein–Vazirani算法）算法线路。

以上4个线路经过BMT和本源司南量子比特映射优化，分别得到两种不同映射线路。

将转化后的不同映射线路分别进行QST（量子态层析）计算，得到对应保真度，以判定量子比特映射的效果。

量子线路保真度结果对比（误差主要来自于统计误差）下表所示：

4种量子线路的保真度结果对比

以上四种代表性的量子程序的线路，本源司南均比BMT算法起到更好的映射效果，映射后线路的保真度至少提升10%。

本源司南是量子-经典的混合架构，支持包括量子处理器、量子虚拟机和高性能计算集群等多种计算后端。量子计算机的强大计算能力需要经典计算机的辅助（例如用经典计算机检验量子计算结果是否正确），在完整的量子应用中我们既需要运行量子任务，也需要处理经典信息。

本源司南以是否涉及量子计算任务为依据，将服务分为量子服务和经典服务，它们相互配合。

其中，量子服务负责处理量子任务，并与量子计算后端进行数据交互。经典服务主要负责处理经典计算任务，负责与经典计算后端进行数据交互，同时经典服务也需要兼顾量子计算机环境加载、系统服务与量子设备状态监控等量子服务。

量子应用调用以上系统服务，基于量子编程框架和分布式计算框架，可实现量子与经典异构的分布式计算。

本源司南框架图

本源司南的工作流程如下。在运行量子任务的同时，本源司南也会通过自动化校准服务监控并校准量子资源的状态。

本源司南工作流程图

基于上述功能，本源司南提供了多量子处理器负载均衡、多量子程序并行计算和量子比特自动化校准的解决方案，并在实验中发挥了重要作用。

论文提出，本源司南未来将支持基于量子线路拆分的用户无感知量子分布式计算、量子异步并行计算，并适配不同物理体系的量子处理器，进一步提升量子比特自动化校准、量子程序编译、量子任务调度的效率。从而支持多物理体系量子分布式计算、高性能经典计算机集群加量子处理器混合计算和量子处理器加量子虚拟机混合计算。

论文链接：

http://chinaxiv.org/abs/202105.00063

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