面向异构通信的量子测控波形数据压缩方法及系统

本发明涉及量子计算异构通信，特别涉及一种面向异构通信的量子测控波形数据压缩方法及系统。

背景技术：

1、随着超导量子计算系统规模的扩展，波形数据的数据量随量子比特数量呈指数级增长，对测控系统的存储带宽和传输通路（如pcie）构成了严峻挑战。在现有的“经典计算节点-量子测控设备-量子芯片”分层架构中，海量的波形数据传输不仅占用硬件资源，还引入了不可忽视的传输延迟，严重制约了量子操作的时效性。

2、当前，量子测控系统主要采用两种波形数据传输方式：一种是传输参数化脉冲描述，另一种是传输原始波形样本。在压缩技术方面，现有方案存在明显不足。在通用压缩领域，zlib、lz4等算法被广泛用于数据压缩，但这些算法将波形视为普通的浮点数序列，无法感知量子控制逻辑中固有的重复性与结构性，导致压缩率在特定场景下较低，且解压计算开销较大，难以满足量子测控系统对实时响应的需求。在专用数据处理方面，虽然部分系统通过定义参数化脉冲库来减少数据量，但牺牲了灵活性，无法适应来自drag或最优控制等脉冲级优化的任意波形。实时合成还消耗本可用于反馈处理的fpga逻辑资源，限制了可生成控制序列的复杂度。此外，现有的波形存储多采用“连续数组”或“相对时间戳”模型，在解压重建时容易因累积误差导致时序漂移，影响量子门操作的同步精度。频域压缩方法如compaqt在频域使用离散余弦变换（dct）压缩波形，仅存储显著系数，从而实现带宽改善。然而，这种方法针对片上内存减少而非通信链路优化，其有损频域方法引入的近似误差可能在深电路中累积，且未对脉冲重复结构实现有效利用。

3、现有针对波形指令编译过程中内存占用过高的问题，有提出面向量子计算测控实验任务的波形处理方案，如中国专利（公开号121390342a），其针对量子测控实验流程优化，压缩对象是波形指令的内存表示，通过参数分离减少拼接波形的存储数量，但并未对波形样本数据本身进行去重；传输波形指令依赖预定义的参数化波形形状（如constant、squareenvelop等），通过振幅、频率、相位、持续时间、偏置电压等参数描述波形。这种参数化描述方式无法适应来自drag（derivative removal by adiabatic gate）或最优控制等脉冲级优化产生的任意波形，牺牲了波形定义的灵活性，限制了可生成控制序列的复杂度；通过将静态时序数据与扫描参数分离存储，避免为每个扫描点存储一份完整的拼接波形指令，实现指令级内存压缩，本质是参数分离与动态替换，传输波形指令中的静态时序数据采用相对时间描述（如waveshape字段中的time为持续时间），扫描数据通过数组形式存储多个输出参数值，时序精度依赖于编译过程的顺序处理。为此，亟需一种针对量子波形数据的专用压缩方案，以能够在数据冗余、传输实时性及时序重建精度上来满足大规模量子计算任务的需求。

技术实现思路

1、针对大规模量子计算中比特规模扩大导致波形数据量激增带来的通信瓶颈问题，本发明提供一种面向异构通信的量子测控波形数据压缩方法及系统，从数据结构、匹配粒度与时序模型上进行底层重构，通过波形字典、量化匹配、绝对时间建模及混合编码来深度融合量子数据特征与数据压缩技术，实现波形数据在“经典+量子”异构融合架构中的低延迟传输，为大规模量子计算系统的可扩展性提供关键技术支撑。

2、按照本发明所提供的设计方案，一方面，提供一种面向异构通信的量子测控波形数据压缩方法，包含：

3、读取量子线路调度后生成的原始波形数据，并获取每个波形的波形标识、目标通道标识、绝对起始时间及元数据；

4、对原始波形数据进行量化处理，计算量化后波形的哈希键，利用哈希键在波形字典中进行去重存储，所述波形字典为预先构建的量子门脉冲波形样本字典；

5、利用播放指令序列存储各原始波形的波形标识及全局时间轴上波形绝对起始时间和对应目标通道标识；

6、将波形字典、播放指令序列及原始波形元数据序列化为字节流，并通过压缩封装将数据包传输至量子测控设备，以使量子测控设备通过对接收的数据包进行反序列化来恢复并获取波形字典和播放指令序列。

7、作为本发明面向异构通信的量子测控波形数据压缩方法，进一步地，在读取量子线路调度后生成的原始波形数据，包含：

8、依据量子芯片硬件拓扑及量子计算任务逻辑线路，构建硬件可执行的底层量子线路；

9、通过调度为底层量子线路中每个量子门操作分配参数，生成原始脉冲指令序列。

10、作为本发明面向异构通信的量子测控波形数据压缩方法，进一步地，对原始波形数据进行量化处理，包含：

11、分别提取原始波形的实部、虚部，根据波形的动态范围确定归一化缩放系数；

12、将实部、虚部分别从原始浮点范围截断并缩放至指定位深度的整数区间。

13、作为本发明面向异构通信的量子测控波形数据压缩方法，进一步地，计算量化后波形的哈希键，利用哈希键在波形字典中进行去重存储，包含：

14、使用哈希函数计算量化后波形的哈希键，利用哈希键在波形字典中进行查找；

15、若波形字典中查找失败，则遍历波形字典中所有波形样本，计算量化后波形与波形样本的l2距离，并基于距离阈值判断波形字典中是否存在量化后波形的匹配样本；

16、若波形字典中不存在匹配样本，则将当前量化后模型作为新的波形样本，并通过分配新的索引来将新的波形样本添加至波形字典中。

17、作为本发明面向异构通信的量子测控波形数据压缩方法，进一步地，利用播放指令序列存储原始波形标识及全局时间轴上波形绝对起始时间和位置，包含：

18、根据每个脉冲波形时长的时序调度，确定脉冲波形在整个脉冲波形序列中的绝对起始时间，所述整个脉冲波形序列为量子电路单次执行逻辑线路时排布在同一个时间轴上的所有脉冲；

19、每个脉冲波形保留波形标识、绝对起始时间及目的通道标识，所有脉冲波形按时间顺序排列，并将相关脉冲波形数据存储至播放指令序列中。

20、作为本发明面向异构通信的量子测控波形数据压缩方法，进一步地，将波形字典、播放指令序列及原始波形元数据序列化为字节流，并通过压缩封装将数据包传输至量子测控设备，包含：

21、若量化后波形在波形字典中进行去重存储时，波形均为量子门脉冲波形样本，则将波形对应的字典索引及播放指令序列和元数据序列化字节流，并通过压缩封装传输至量子测控设备；

22、若量化后波形在波形字典中进行去重存储时，波形存在特殊的非量子门脉冲波形样本，则将对应波形通过动态增量构建存储至波形字典，以对波形字典进行扩展，并将扩展后的波形字典、播放指令序列及元数据序列化字节流，并通过压缩封装传输至量子测控设备。

23、作为本发明面向异构通信的量子测控波形数据压缩方法，进一步地，量子测控设备通过对接收的数据包进行反序列化来恢复并获取波形字典和播放指令序列，还包含：

24、申请预分配内存缓冲区并初始化为零；

25、根据波形标识及绝对起始时间将波形字典中对应的波形样本拷贝至缓冲区指定位置，以执行波形重建。

26、再一方面，本发明还提供一种面向异构通信的量子测控波形数据压缩系统，包含：波形获取模块、量化存储模块、指令生成模块和压缩传输模块，其中，

27、波形获取模块，用于读取量子线路调度后生成的原始波形数据，并获取每个波形的波形标识、目标通道标识、绝对起始时间及元数据；

28、量化存储模块，用于对原始波形数据进行量化处理，计算量化后波形的哈希键，利用哈希键在波形字典中进行去重存储，所述波形字典为预先构建的量子门脉冲波形样本字典；

29、指令生成模块，用于利用播放指令序列存储各原始波形的波形标识及全局时间轴上波形绝对起始时间和对应目标通道标识；

30、压缩传输模块，用于将波形字典、播放指令序列及原始波形元数据序列化为字节流，并通过压缩封装将数据包传输至量子测控设备，以使量子测控设备通过对接收的数据包进行反序列化来恢复并获取波形字典和播放指令序列。

31、本发明的有益效果：

32、1、本发明将原始的连续波形数组分解为“波形字典”和“播放指令序列”两部分，实现关注点分离：字典存储脉冲的形状，指令序列存储其发生的时间和位置。这种分离将每次执行的数据从o(n×l)减少到o(m×l+n)，其中n为门操作数，l为平均脉冲长度，m为不同脉冲形状数。通常m≪n，因此可以实现超过99%的压缩率。在此基础上，系统解析量子线路的脉冲调度，识别其中所有的play指令。通过提取脉冲样本数据并进行量化匹配，去除所有重复的波形片段，仅保留唯一的波形样本存入“波形字典”。其次，生成一系列精简的“播放指令”，每条指令仅记录波形id和绝对起始时间，不再存储实际波形数据。该方法利用量子门的可复用性，显著压缩了数据规模。

33、2、本发明利用波形级匹配机制确保正确处理比特依赖的波形变异，量化过程将波形样本从complex128格式（每分量64位浮点）量化到可配置位深度（默认12位）。量化后，生成哈希键用于o(1)字典查找。波形级匹配具有比特无关性和门类型无关性，算法无需知道脉冲目标比特，纯粹通过采样值比较波形，自动适应硬件异构性。匹配过程采用分级策略平衡速度与鲁棒性。第一级使用sha-256哈希快速匹配，实现o(1)复杂度，命中率超过99.5%。第二级使用l2距离容差匹配，处理量化边界情况和浮点误差，阈值设为ε=10⁻6，远高于浮点噪声底但远低于物理意义差异。如果两级匹配都失败，则创建新字典条目。整体时间复杂度平均为o(n)，其中n为脉冲总数。

34、3、本发明利用“绝对时间模型”确保解压重建时的时序精度，每条播放指令中的“起始时间”字段指向全局时间轴上的绝对时刻，而非相对于上一条指令的时间间隔。在解压端，波形重建过程不再依赖指令的执行顺序，而是直接将字典中的波形样本写入目标缓冲区的指定时间偏移位置。该机制消除了顺序执行带来的累积误差，确保了各量子比特控制脉冲的纳秒级同步精度。绝对时间编码使每条指令自包含，fpga可以读取单条指令并立即确定通道、脉冲形状和精确起始时间，无需参考任何其他指令。这实现了并行的多通道解码、鲁棒的错误隔离和简化的硬件设计。

35、4、本发明采用混合编码策略来提升压缩效率，指令编码格式包括：头部、逐通道数据、指令编码。增量编码应用于同一通道上连续脉冲的时间差，最小化指令大小。对体积较大的字典部分应用zlib压缩，最后封装生成压缩数据包，结合“专用字典”与“通用熵编码”的优势，实现极高的压缩率，同时保证了数据的完整性。