量子多程序自动模式上线
日本研究人员开发出一种“量子多程序自动模式”，可以在同一量子芯片上自动并行执行来自不同用户的量子程序。该功能已部署在大阪大学量子信息与量子生物学中心（QIQB）的量子计算机云服务中，用于减少闲置量子比特、提升整体吞吐量，并有望缓解量子云计算的排队与拥堵问题。
量子计算机被视为下一代高性能计算平台，但对真实量子硬件的直接访问仍然稀缺。由于量子芯片需要极其精密的控制和专门设施才能稳定运行，目前许多高校、研究机构和企业主要通过云服务向用户开放量子计算资源。
然而，云化使用也带来了新的瓶颈：等待时间。现阶段的噪声中等规模量子计算机（NISQ）量子比特数量有限，而传统云调度通常采用“单作业独占整块芯片”的方式。结果是，当一个程序只用到少量量子比特时，其余量子比特会被闲置，即便队列中还有大量用户在等待。
在此背景下，由大阪大学QIQB牵头，联合系统工程顾问有限公司（SEC）和顺天堂大学的研究团队，开发并上线了量子多程序自动模式，使QIQB量子云服务能够自动将不同用户的量子程序并行调度到同一芯片上执行。
更高效地利用量子比特
大阪大学的量子云服务目前运行一块64量子比特的量子芯片。但在实际研究中，许多程序只需要大约10个量子比特。在传统“一个作业占用整块芯片”的模式下，大部分量子比特资源处于空闲状态。
新的自动模式通过从云端作业队列中自动挑选合适的任务，将它们分配到可用的量子比特上并同时执行，从而显著提高资源利用率。这一模式是在此前“量子多程序（手动模式）”基础上的升级：手动模式只允许同一用户手动指定多个程序并行运行，而自动模式则面向不同用户、由系统自动完成组合与调度。
大阪大学特别任命研究员（全职）森敏夫指出：“大幅缩短计算等待时间，是实现实用量子计算的关键挑战之一。随着量子计算机量子比特规模不断扩大，我们预计量子多程序自动模式的需求会持续上升。该功能也可以通过引入 OQTOPUS 作为中间件，部署在尚未采用 OQTOPUS 的系统上，我们希望未来能加速其在更多平台上的应用。”
系统如何实现自动并行
这套新功能并不仅仅是“把空闲量子比特填满”那么简单，而是依托数学优化方法来决定多个量子电路在芯片上的高效布局。
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图表示与子图同构求解
系统首先将量子电路和量子芯片都抽象为由顶点和边构成的图结构。随后，通过求解子图同构问题，将多个电路图像“拼图”一样嵌入到芯片图中。借助整数规划求解器，系统可以在较短时间内为复杂量子电路找到合适的布局方案。 -
自动处理硬件约束
系统会自动考虑具体硬件的限制条件，例如量子比特之间的连通拓扑、连接方向性以及远距离量子比特之间有限的耦合能力。在将多个电路组合之前，系统会对电路进行转换或转译，使用户无需关心底层物理约束即可提交程序。 -
兼顾公平性的队列策略
为避免只追求效率而牺牲公平性，系统在调度时会检查队列前端固定数量的作业，从中搜索可以并行执行的组合。这样既能优先照顾等待时间较长的作业，又能在整体上提升吞吐量。
吞吐量提升评估
研究团队使用反映真实用户行为的数据集对系统进行了测试。在一项评估中，五位用户在一块11量子比特芯片上共提交了110个两量子比特电路作业，模拟研究场景中频繁出现的小规模量子电路。结果显示，在该场景下，系统的吞吐量（单位时间内处理的计算量）提升了 3.76 倍。
系统工程顾问有限公司技术经理内田亮表示：“最大化量子比特资源利用率，是未来量子计算机应用中的关键课题。量子多程序自动模式通过并行执行量子程序并优化量子比特分配，既缩短了等待时间，又提高了资源效率。我们将持续推进相关研发，推动量子计算的发展。”
评估结果表明，自动量子多程序模式有助于缓解量子云服务的拥堵。通过在同一时间运行更多量子电路，系统减少了量子比特的闲置，提高了宝贵量子计算基础设施的整体运行效率。
顺天堂大学教授中田秀元指出：“这项工作展示了经典优化方法也可以直接为量子计算机的运行做出贡献。我们将继续探索类似方向的应用。”
下一步部署计划
该自动模式功能已经集成进 OQTOPUS——一套开源的量子计算机基础软件栈，并将依次提供给使用大阪大学量子云服务的量子软件联盟成员机构。
未来，QIQB、SEC 和顺天堂大学将继续推进相关系统软件的研发工作，以进一步提升量子计算机的可用性和性能，加速量子技术的实际落地与应用。
