2026年6月9日——日本研究人员开发出量子多编程自动模式，该功能可并行自动运行来自不同用户的量子程序。该功能已部署在日本顶尖研究机构——大阪大学量子信息与量子生命研究中心（QIQB）的量子计算机云服务上，可减少闲置量子比特资源，提升吞吐量，并有助于缓解量子云计算领域的拥堵状况。

量子计算机有望成为强大的下一代计算平台，但实际量子硬件的访问仍然有限。由于量子芯片需要专门的设施和精细控制才能稳定运行，许多大学、研究机构和公司现在通过云服务提供访问渠道。

然而，云访问带来了新的挑战：等待。当前含噪声的中等规模量子计算机的量子比特数量有限，传统云操作通常允许一个任务占用整个量子芯片。这意味着许多量子比特可能处于闲置状态，而其他用户却在等待自己的程序运行。

由大阪大学QIQB领导，并与系统工程顾问有限公司（SEC）和顺天堂大学合作的一个研究小组，现已开发并推出了量子多编程（自动模式），该功能可在QIQB的量子计算机云服务上自动并行执行来自不同用户的量子程序。

大阪大学的量子计算机云服务运行着一块64量子比特的芯片。然而，许多研究程序仅使用约10个量子比特。在传统的“一个任务占用整个芯片”模式下，这导致芯片大部分处于空闲状态。

新的自动模式通过从云队列中选择合适的任务，将其分配到可用量子比特上并一起执行，有助于解决这一问题。它改进了先前发布的量子多编程（手动模式），该模式仅允许同一用户手动指定的多个程序进行并行执行。

大阪大学特任研究员（专职）森俊夫表示：“减少计算等待时间是迈向实用量子计算的关键挑战之一。随着量子计算机中量子比特数量的持续增长，我们预计对量子多编程自动模式的需求将会增加。通过将OQTOPUS作为中间件引入，该功能也可用于尚未采用OQTOPUS的系统，我们希望在未来加速其向其他系统的部署。”

这项新功能不仅仅是简单填充芯片上的空白空间。它利用数学优化方法来确定如何高效放置多个量子电路。

首先，系统将量子电路和量子芯片都表示为由顶点和边组成的图。然后，它求解子图同构问题，将多个电路图像拼图一样嵌入到芯片图中。通过使用整数规划求解器，系统能够快速准确地确定布局，即便对于复杂的量子电路也是如此。

其次，系统会自动考虑硬件特定的约束条件，例如量子比特连接的方向以及远距离量子比特间有限的连接性。电路在组合之前会经过转换（即编译），使用户无需自行管理这些物理约束即可运行程序。

第三，系统在设计时考虑了公平性。它会检查队列前端的固定数量任务，并搜索可并行执行的组合。这样，在提高整体效率的同时，等待时间较长的任务也能获得优先处理。

为了测试该系统，研究团队使用了一个反映真实用户行为的数据集。在一次评估中，假设小规模量子电路常用于研究的情况，五名用户在一块11量子比特的芯片上针对双量子比特电路提交了110个任务。该系统将吞吐量（即单位时间内处理的计算量）提高了约3.76倍。

SEC技术经理内田亮表示：“最大化量子比特资源的利用率是未来量子计算机使用的关键挑战。量子多编程自动模式通过并行执行量子程序及优化量子比特分配，减少了等待时间，提高了资源效率。我们将继续研发努力，推动量子计算发展。”

结果表明，自动量子多编程有助于缓解量子计算机云服务的拥堵状况。通过同时运行更多量子电路，该系统减少了闲置量子比特资源，并提高了宝贵量子计算基础设施的运行效率。

顺天堂大学教授中田秀基表示：“这项工作表明经典优化方法可以为量子计算机的运行做出贡献。我们将继续探索类似的贡献。”

该功能已集成到OQTOPUS中（OQTOPUS是一个用于量子计算机的开源基础软件栈），并将陆续提供给使用大阪大学量子计算机云服务的量子软件联盟参与组织。

QIQB、SEC和顺天堂大学将继续推进系统软件的研究与开发，以提高量子计算机的可用性和性能，并为量子技术的实际应用做出贡献。