[论文解读] Origin Pilot: a Quantum Operating System for Effecient Usage of Quantum Resources

Weicheng Kong, Junchao Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 1被引用 8

一句话总结

Origin Pilot 是一种量子操作系统，通过智能任务调度、动态量子资源管理、自动量子比特校准以及优化的量子比特映射，提升量子资源利用率。它平均可将量子线路保真度提高 10%，并支持在多个量子处理器上并行执行，显著减少空闲时间，并在量子比特性能波动时保持高性能。

ABSTRACT

The operating system is designed to manage the hardware and software resources of a computer. With the development of quantum computing, the management of quantum resources and cooperation between quantum systems and other computing resources (e.g. CPU, GPU and FPGA etc.) become the key challenge for the application of quantum computing to solve real world problems. In this paper we propose a quantum operating system, Origin Pilot. Origin Pilot includes the module of quantum task scheduling, quantum resource management, quantum program compilation and qubits' automatic calibration. With these modules, Origin Pilot can manage the quantum computing resources and solve the multi-quantum processor scheduling problem. It can also allow the parallel execution of multiple quantum programs and calibrate the quantum resource effectively. Thus, the performance of resources is guaranteed and the resource utilization is improved. By comparing the results with and without Origin Pilot, we evaluate the impact on a quantum circuit's fidelity of qubits mapping algorithm. We also evaluate the effectiveness of automatic calibration and parallel execution of multi-quantum processors. Finally, Origin Pilot can be easily customized for hybrid computing resources.

研究动机与目标

• 解决云环境中因单用户、非调度访问模式导致的量子处理器利用率低下问题。
• 解决由环境噪声和缺乏主动校准导致的量子比特保真度波动问题。
• 实现多个量子处理器上多个量子程序的并行执行。
• 通过优先选择高保真度量子比特的智能量子比特映射，提升量子线路保真度。
• 设计可自定义、支持混合计算的量子操作系统，适用于现实世界部署。

提出的方法

• 实现一个量子任务调度模块，根据任务需求和处理器可用性动态分配资源。
• 引入一个支持多处理器访问和负载均衡的量子资源管理系统。
• 开发一个自动量子比特校准引擎，当保真度低于阈值（两量子比特门为 0.95，单量子比特门为 0.98）时触发校准。
• 设计一种量子比特映射算法，选择高保真度量子比特对，以最小化电路编译过程中的门误差传播。
• 集成一个量子程序编译流水线，针对目标硬件拓扑和噪声特性优化电路。
• 通过分析电路间依赖关系和资源隔离，实现多个量子程序的并行执行。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多用户量子云环境中，如何提升量子资源利用率？
• RQ2 自动量子比特校准在多大程度上能维持高门保真度并减少系统停机时间？
• RQ3 智能量子比特映射对编译后量子线路的保真度有何影响？
• RQ4 能否在共享量子硬件上有效调度和隔离多个量子程序的并行执行？
• RQ5 量子操作系统模块的集成如何影响整体系统性能和可扩展性？

主要发现

• 通过自动校准，单量子比特门保真度保持在 0.98 以上，两量子比特门保真度保持在 0.95 以上；而未校准的系统中，保真度随时间下降。
• 由于空闲时间减少且性能持续稳定，Origin Pilot 显著提升了可执行量子任务的数量。
• 与基线方法（如 BMT）相比，Origin Pilot 中的量子比特映射算法将平均量子线路保真度提升了最多 10%。
• 搭载 Origin Pilot 的量子处理器在校准周期内仍能正常运行，而未校准的系统最终无法执行新任务。
• 该系统成功实现了多个处理器上多个量子程序的并行执行，显著减少了排队延迟。
• Origin Pilot 展现出与混合计算架构的兼容性，支持与 CPU、GPU 和 FPGA 等经典资源的集成。