[發明專利]基于微內核架構的量子計算機操作系統及量子計算機

在審

• 申請號: 202210137722.6
• 申請日: 2022-02-15
• 公開（公告）號: CN114492821A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 郭聰;項金根
• 申請（專利權）人: 深圳量旋科技有限公司
• 主分類號: G06N10/40
• 分類號: G06N10/40
• 代理公司: 深圳市世聯合知識產權代理有限公司 44385
• 代理人: 姜妍

本申請公開了基于微內核架構的量子計算機操作系統及量子計算機，其中，量子計算機為異構量子計算機，異構量子計算機包括量子處理器部分和經典處理器部分，本申請通過將內核對象管理模塊和數據傳遞模塊配置于內核空間，將其他的系統功能模塊移到用戶空間，最小化內核空間中的功能結構，并通過內核對象管理模塊創建IPC通道，通過IPC通道和數據傳遞模塊實現量子計算機的消息傳遞和遠程內存訪問，避免了用戶態和內核態切換的開銷。本申請采用微內核架構來設計量子計算機操作系統，最小化了操作系統內核空間中的功能結構，其具有開銷小、可靠性高、安全性好等優點，通過該量子計算機操作系統控制異構量子計算機，提高了異構量子計算機的效率和性能。

技術領域

本申請屬于量子計算領域，具體涉及一種基于微內核架構的量子計算機操作系統及量子計算機。

背景技術

量子計算機(quantum computer)是根據量子力學規律進行高速運算的計算機設備。與傳統的計算機相比，量子計算機存在運行速度快、處置信息能力強、應用范圍廣的優勢，也就是說在信息處理過程中，處理的信息量越多，使用量子計算機實施運算的優勢就越大，在提高處理效率的同時也能確保運算的精準性。

量子計算機直接使用獨特的量子力學現象(例如疊加和糾纏等)運行量子算法對量子信息數據執行操作，量子處理器是在由大量量子比特單元構成的量子芯片，通過運行由通用量子邏輯門構成的量子算法，以實現量子信息處理過程。因為量子比特編碼以及量子邏輯門的特殊性質，量子計算機在密碼破解、量子化學模擬、量子人工智能等前沿科技領域具有遠超經典計算機性能極限的潛力。

量子計算機操作系統是量子計算機中連接終端和量子處理器的核心部分，量子計算機操作系統決定了量子計算機的功能。目前，在大多數應用場景下，量子計算機需要同時使用量子處理器和經典處理器對任務進行處理，一方面是因為量子處理器目前處于起步階段，其只是在處理一類問題上具有巨大的速度優勢；另一方面是因為經典處理器控制邏輯更加成熟，使用經典處理器控制其他設備的程序應用更加成熟，因此目前市面上的量子計算機采用的是典型的異構量子計算機，即量子處理器加經典處理器的架構。

但目前量子計算機配置宏內核的量子計算機操作系統管理硬件和軟件資源，在宏內核操作系統下，系統功能模塊大多配置在內核空間內，當用戶程序需要使用一些硬件資源時，需要頻繁通過系統調用由用戶態進入內核態，導致系統開銷較大。而且隨著宏內核操作系統的內核功能不斷增長，宏內核的量子計算機操作系統的復雜度也持續增加，在可靠性、安全性等方面容易導致更多的問題。這是因為在宏內核架構下，所有內核模塊均運行在特權內核態下，一個單點的錯誤就可能會導致整個系統崩潰或者被攻破，哪怕是具有極強編程能力的量子計算機操作系統的內核程序員編寫的程序也很難避免bug，因此，現有的宏內核的量子計算機操作系統在穩定性、可靠性、安全性等方面難以得到保證。

因此，開發一種開銷小、穩定性高、安全性優越的基于微內核架構的量子計算機操作系統及量子計算機成為亟待解決的技術問題。

發明內容

本申請實施例的目的在于提出一種基于微內核架構的量子計算機操作系統及量子計算機，以解決現有基于宏內核的量子計算機操作系統存在的系統調用開銷大、穩定性差、可靠性低、安全性較弱等技術問題。

為了解決上述技術問題，本申請實施例提供一種基于微內核架構的量子計算機操作系統，采用了如下所述的技術方案：

一種基于微內核架構的量子計算機操作系統，量子計算機操作系統用于控制異構量子計算機，異構量子計算機包括至少一個量子處理器和至少一個經典處理器，量子計算機操作系統包括內核空間和用戶空間，還包括內核對象管理模塊和數據傳遞模塊，內核對象管理模塊和數據傳遞模塊配置于內核空間內，內核對象管理模塊管理的內核對象至少包括進程空間和進程間通信門，其中：

內核對象管理模塊，用于在接收到數據傳遞請求后，基于數據傳遞請求讀取進程空間中的進程管理數據，得到遠程物理內存地址或硬件資源的使用權限，根據物理內存地址或資源使用權限創建進程間通信通道；