[发明专利]软件限定的量子计算机

说明书

本公开描述了软件限定的量子计算机的各个方面。例如，描述了软件限定的量子计算机和可扩展/模块化量子计算机。还至少描述了软件限定的量子架构、资源管理器工作流、量子编译器架构、硬件描述语言配置、应用程序编程接口(API)访问点的级别以及软件限定的量子架构中的异常处理。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2018年11月26日提交的标题为“SOFTWARE-DEFINED QUANTUMCOMPUTER”的美国非临时申请16/199,993和2017年11月28日提交的标题为“SOFTWARE-DEFINED QUANTUM COMPUTER”的美国临时申请62/591,641的专利优先权，其内容通过引用整体并入本文。

背景技术

本公开的各方面总体上涉及可配置的量子计算系统，并且更具体地，涉及软件限定的量子计算机。

在针对固态量子位(也写作qubit)(例如，超导量子位，量子点(QD)等)的传统量子计算机(QC)中，在芯片或集成电路的硬件设计中构建量子位，并且它们的连接通常被该硬件设计限定。这意味着，例如(但不限于)：(i)可以计算的问题的大小，(ii)可以实施的电路操作或算法/计算的类型，以及(iii)相应的性能指标(例如，运行电路/算法所需的门总数、执行计算所需的时间以及量子电路的成功概率)强烈依赖于量子位硬件(即，用于实现量子位的硬件)的具体设计，其通常被实施为芯片或集成电路。换句话说，传统的固态量子计算机的操作或配置由于硬件组件的固有限制而趋于僵化。

非常需要允许量子计算机的灵活性和可配置性，尤其是动态和/或基于软件的可配置性的技术。

发明内容

以下给出了一个或多个方面的简化概述，以便提供对这些方面的基本理解。该概述不是所有预期方面的详尽概述，并且既不旨在标识所有方面的关键或重要元素，也不旨在描绘任何或所有方面的范围。其目的是以简化形式给出一个或多个方面的一些概念，作为稍后给出的更详细描述的序言。

在本公开的一方面，硬件描述语言可以用于软件限定的量子计算机，以配置可用于软件限定的量子计算机的各种资源以执行特定的任务、功能、程序或例程。硬件描述语言可以用于动态地配置软件限定的量子计算机，使得例如计算的大小(例如，量子位的数量)不需要是固定的并且可以在运行中进行调整。在一个示例中，硬件描述语言可以指定软件限定的量子计算机的结构(例如，硬件连接性)和行为(例如，操作)。

在本公开的一方面，描述一种软件限定的量子计算机，其包括：控制单元，其被配置为从软件程序接收编程指令并至少部分地基于所述编程指令生成控制信号；以及多个量子位，其中一数量的所述量子位和任意两个所述量子位之间的连接由来自所述控制单元的控制信号启用和控制。

在本公开的另一方面，描述一种软件限定的量子计算机，其包括多个模块，每个模块具有控制单元、通信控制单元和多个量子位，每个控制单元被配置为从软件程序接收编程指令，并且至少部分地基于所述编程指令生成控制信号，并且一数量的所述量子位和任意两个所述量子位之间的连接由来自所述控制单元的所述控制信号来启用和控制。所述软件限定的量子计算机还包括交换机/路由器单元，所述交换机/路由器单元被配置为启用来自每个所述模块的所述通信控制单元的通信信道。

在本公开的另一方面，描述一种软件限定的量子计算架构，其包括：应用程序编程接口(API)；量子操作系统(OS)，所述API在其上执行，所述量子OS包括资源管理器和交换机；以及多个量子核，其经由所述交换机连接，所述资源管理器被配置为确定所述量子核中量子位的分配。

在本公开的另一方面，描述一种用于编译软件限定的量子计算机的源代码的方法，该方法包括：对量子编程语言的高级中间表达执行词汇分析；对所述词汇分析的输出执行语义分析；以及基于所述语义分析的输出生成所述量子编程语言的中级中间表达。