基于动态容错层的量子计算系统

本发明涉及量子计算领域，尤其涉及一种基于动态容错层的量子计算系统。

背景技术：

1、量子计算利用量子态叠加、纠缠和干涉等特性，在某些问题上具有超过经典计算的潜力。然而，当前量子硬件仍然受到退相干、门操作误差、测量误差、串扰、控制噪声以及器件参数漂移等多种非理想因素的影响，使得量子计算结果容易受到错误累积的破坏。对于中小规模、浅层量子线路，这些误差有时可以通过重复运行、误差缓解或后处理方式部分缓解；但对于大规模、深层、长时间运行的实用量子算法，仅依靠裸物理量子比特和简单误差缓解手段通常无法满足可靠性要求，因此需要采用量子纠错和容错计算技术。

2、容错量子计算的基本思路是将逻辑量子比特编码到多个物理量子比特中，通过连续的稳定子测量、译码、校正以及特定的逻辑门实现方式，在物理器件存在噪声的条件下维持逻辑层的正确性。在具备容错能力的量子计算系统中，容错相关模块被分别嵌入在编译器、特定纠错码流程或底层控制系统中，导致容错相关的逻辑综合、资源分配、逻辑到物理映射、译码反馈和运行时调整被分散固化在编译流程、纠错码实现或硬件控制流程中，难以根据算法需求、资源状态和硬件漂移进行统一管理与动态优化。

3、因此，现有系统在容错量子计算场景下存在以下问题：

4、（1）容错参数通常是静态固定的，缺少按任务动态选择能力

5、在现有方案中，很多容错实现依赖预先选定的纠错码、固定码距离、固定逻辑块数量、固定补片patch布局以及固定蒸馏资源配置。不同算法、不同精度要求、不同逻辑深度以及不同阶段的任务，往往只能共享一套预设容错参数，无法根据实际需求动态调整。其结果是：对于要求较低的任务，容易出现资源过度配置；对于要求较高的任务，又可能出现容错能力不足，从而影响资源利用率和任务成功率。

6、（2）容错逻辑分散且耦合严重

7、现有系统中，容错相关功能经常散落在多个位置，例如部分集成在编译器里，部分集成在某一种纠错码实现里，部分又固化在底层硬件控制流程中，这使得不同软件框架、不同容错方案和不同硬件平台之间往往需要点对点适配。这种部署方式导致系统模块边界不清晰，软件与硬件耦合严重，不利于后续扩展新的纠错码、新的硬件平台或新的调度策略，也不利于构建跨平台通用的容错量子计算体系。

8、（3）缺少运行时闭环反馈机制，无法根据硬件漂移持续优化

9、容错量子计算并不是一次性静态编排就能稳定完成的。实际硬件在运行过程中会发生误差漂移、校准状态变化、局部资源失效、测量噪声波动以及译码延迟变化等情况。现有系统缺乏将底层测量结果、译码结果和硬件状态变化反馈到上层资源分配和执行决策中的通道。因此，一旦硬件状态偏离初始假设，现有方案通常只能继续沿用原先配置，难以及时调整码距离、逻辑资源规模、映射位置或执行策略，从而影响系统鲁棒性和执行成功率。

10、（4）缺少从逻辑抽象到物理抽象的分层过渡，难以实现清晰的容错编排

11、现有技术中，软件层逻辑表示往往直接被转换为底层物理执行形式，中间缺少一个明确的逻辑容错表示层。这使得“逻辑级容错决策”和“物理级执行细节”混杂在一起，不利于形成统一的逻辑指令集架构 logical isa 与物理指令集架构 physical isa 分层架构。由于缺乏这种分层，系统很难把算法需求、容错资源分配和底层平台适配解耦，也就难以实现可复用、可替换、可扩展的容错执行链路。

12、由于上述问题的存在，现有容错量子系统在资源利用率、执行成功率、模块扩展性以及跨平台适配能力方面存在明显限制，通常只能在某一局部目标上进行折中。例如，有的方案适合某一种硬件平台，但难以迁移到其他平台；有的方案适合某一种固定纠错码，但难以支持新的码族；有的方案可以静态运行，但缺乏运行时调优能力。最终表现为：系统很难同时兼顾高资源利用率、高任务成功率、良好扩展性以及跨平台适配能力。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种量子计算系统，其特征在于，包括：

2、软件层，用于生成量子算法以及任务约束信息；

3、容错层；

4、硬件层，用于根据容错层输出的物理指令集架构physical isa操作物理量子，并将测量结果和硬件状态反馈给容错层；

5、所述容错层具体包括：

6、综合层，用于根据任务约束信息对量子算法进行适合容错执行的标准化综合，得到量子算法的逻辑表示；

7、资源分配层，用于根据所述逻辑表示和硬件状态确定纠错码类型并分配逻辑资源，输出纠错码的编码信息和逻辑指令集架构logical isa；

8、转译层，用于将logical isa转换为硬件层可执行的physical isa；

9、译码层，用于接收硬件层的测量结果和硬件状态，以及资源分配层的编码信息，根据编码信息对测量结果执行译码，将译码结果和硬件状态反馈给自适应调度层；

10、自适应调度层，用于根据译码结果向硬件层发送纠错指令，并根据硬件状态评估当前资源分配策略，根据评估结果要求资源分配层重新分配资源和/或要求转译层重新生成physical isa。

11、在一些实施例中，所述量子算法包括量子线路和逻辑门序列；所述任务约束信息包括精度要求、成功率要求、逻辑错误率约束、时延约束、资源预算、任务优先级之中的一种或多种。

12、在一些实施例中，根据任务约束信息对量子算法进行适合容错执行的标准化综合，具体包括：根据任务约束信息，面向容错执行路径，综合考虑纠错码实现、蒸馏资源压力、逻辑门组织方式和调度复杂度，将量子算法转换为适合容错执行的标准化逻辑表示。

13、在一些更具体的实施例中，将量子算法转换为适合容错执行的标准化逻辑表示，具体包括：将逻辑门序列分解为 clifford + r_z(\theta) 的形式。

14、在一些实施例中，所述资源分配层包括优化器，用于对纠错码选取和资源分配策略进行优化。

15、在一些实施例中，确定纠错码类型具体包括：根据所述逻辑表示和硬件状态从多种纠错码中选择一种作为本次容错量子计算采用的纠错码，并将该纠错码的编码信息发送给译码层。

16、在一些更具体的实施例中，所述多种纠错码包括表面码、色码、steane码、卷积码、turbo码、里德-穆勒码。

17、在一些实施例中，软件层与容错层之间通过第一接口连接，第一接口用于将软件层生成的量子算法以及任务约束信息标准化传递给容错层；

18、容错层与硬件层之间通过第二接口连接，第二接口用于将physical isa标准化地发送给硬件层，并将硬件状态和测量结果反馈给容错层。

19、在一些实施例中，所述硬件层为超导量子平台、离子阱量子平台、中性原子平台、光量子平台之任一。

20、在一些实施例中，所述硬件状态包括每个物理量子比特的保真度；根据硬件状态评估当前资源分配策略，根据评估结果要求资源分配层重新分配资源和/或要求转译层重新生成physical isa，具体包括：若某个量子比特保真度低于95%，则将该量子比特标记为不可用；将不可用信息同步给资源分配层，要求资源分配层重新分配资源，重新分配资源时避免使用不可用的量子比特。

21、本发明提供的量子计算系统在软件层和底层硬件层之间设置独立的容错层，使容错功能不再分散在编译器或底层控制中，增强了系统的可扩展性和跨平台适应性。同时，通过资源分配层基于任务需求和硬件状态动态决定资源分配策略，并在运行时通过译码层和自适应调度层将底层测量结果和硬件状态反馈到上层资源分配与调度中，形成闭环优化，使系统能在满足目标可靠性的前提下更合理地分配资源并根据运行时的硬件状态实时优化资源分配策略，极大提高了资源利用率和成功率。本发明使容错量子计算从“固定实现模式”转变为“动态配置模式”，显著提高了容错量子计算系统的灵活性、效率和长期可扩展性。