量子计算机的操作系统：开源生态与核心架构全景图

副标题： 从日本OQTOPUS到中国启科，开源如何重塑量子计算未来

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一、量子操作系统：重新定义“资源管理”

传统操作系统管理CPU与内存，量子操作系统（QOS）的核心使命是操控“量子态”：

• 硬件控制层：通过精密脉冲（微波/激光）操纵量子比特，实时校准误差（类似设备驱动层）

• 资源管理层：调度量子比特、编译优化电路、协调量子-经典混合计算（核心“内核”功能）

• 应用接口层：提供Qiskit/Cirq等编程框架（用户交互入口）

 关键差异：QOS不处理文件系统或多线程，而是专注解决量子比特的高噪声敏感度与混合计算协同问题。

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二、开源力量：打破量子霸权的技术围栏

全球量子计算开源生态呈现“工具链先行，操作系统破冰”趋势：

项目	国家	开源状态	技术亮点
OQTOPUS	日本	✅ 全栈开源	首个覆盖硬件控制到云部署的QOS
QuSprout	中国	✅ CPU版开源	GPU加速模拟性能提升6-8倍
QuTrunk	中国	✅ 框架开源	支持量子-经典混合编程
PilotOS	中国	❌ 仅客户端	首款Windows兼容量子开发环境

标志性突破：

• OQTOPUS（大阪大学 & 富士通）：
  ▶️ 开源模块：脉冲控制器/任务调度器/错误抑制算法
  ▶️ 价值：推动量子软件接口标准化，降低硬件接入门槛

• 启科量子工具链：
  ▶️ QuSprout支持千量子比特模拟，Runtime工具链打通PyTorch/GPU生态

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三、未开源领域：商业巨头的“黑箱”博弈

IBM、Google等企业策略鲜明：

graph LR
    A[开源框架] --> B(Qiskit/Cirq)  
    B --> C(吸引开发者生态)
    C --> D{但闭源}
    D --> E[硬件控制层]
    D --> F[云平台调度核心]

• 逻辑：通过开源API圈住用户，但核心硬件调度算法成为商业护城河

• 现状：量子云计算服务（如IBM Quantum）底层系统仍为专有技术

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四、开源的价值：量子计算的“Linux时刻”

开源QOS正在解决行业痛点：

1. 降本增效：

   • OQTOPUS允许实验室复用控制模块，减少90%底层开发成本

2. 错误抑制协作：

   • 开源社区共同优化量子门纠错算法（如GitHub代码贡献）

3. 混合计算普及：

   • QuTrunk+PyTorch让AI研究者零门槛开发量子机器学习模型

 专家预判：如同Linux推动互联网革命，开源QOS将成为量子实用化的关键加速器。

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五、未来挑战：开源的“未竟之路”

• 硬件适配碎片化：超导/离子阱/光量子需定制化驱动（OQTOPUS正尝试抽象层）

• 标准化缺失：量子指令集（如QASM）尚未统一，跨平台编译难度高

• 生态规模：目前活跃开源项目不足10个，需更多机构入局

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结语
量子操作系统的开源化，本质是将“操控量子”的能力民主化。当日本OQTOPUS的脉冲控制代码、中国启科的混合计算框架被全球开发者复用调试时，我们正在见证一场比经典计算更依赖协作的科技革命——因为量子时代的算力突破，注定无法由任何单一实体完成。

行动建议：开发者可深度参与：

• GitHub搜索「OQTOPUS」贡献硬件驱动模块

• 通过启科「QuSprout」测试量子算法GPU加速性能

（全文基于量子操作系统技术架构及公开开源项目信息综述）

量子计算机确实有“操作系统”，但它的形态和功能与传统计算机的操作系统（如 Windows, Linux, macOS）有很大不同。 更准确地说，量子计算机运行在一个复杂的软件栈之上，其中包含了执行传统操作系统核心功能的层次。

以下是更详细的解释：

1. 量子硬件控制层（最底层）：

   • 这是最接近物理量子比特的软件层。

   • 它负责生成和发送极其精确的控制脉冲序列（如微波脉冲、激光脉冲、磁场控制信号）来操纵量子比特（初始化、执行量子门操作、读取状态）。

   • 它需要实时处理硬件反馈，进行校准和错误抑制（虽然还不是完全纠错）。

   • 这个层通常由高度专业化的、低延迟的固件和驱动程序组成，运行在连接量子处理器的经典控制计算机上（通常是高性能的 FPGA 或定制 ASIC）。

   • 功能类比： 这部分可以看作是操作系统中硬件抽象层和设备驱动程序的量子版本，它抽象了极其复杂的物理硬件操作。

2. 量子资源管理层 / 运行时系统：

   • 这一层位于硬件控制层之上。

   • 它负责：

     • 任务调度： 管理提交给量子处理器的作业队列，决定执行顺序（尤其是在多用户访问的云端系统中）。

     • 资源分配： 分配可用的量子比特、量子门资源给特定的量子电路或算法。

     • 量子电路编译与优化： 将用户编写的高级量子程序（如 Qiskit, Cirq 代码）编译成底层硬件可以理解的脉冲序列或低级指令集。这个编译过程非常重要，需要针对特定量子硬件的拓扑结构（量子比特连接方式）和噪声特性进行优化，以减少错误和深度。

     • 错误缓解处理： 在硬件层面错误无法完全消除的当前阶段，运行时系统会应用各种错误缓解技术，如随机编译、零噪声外推等，来部分修正结果。

     • 混合计算协调： 管理量子处理器和其连接的经典计算机之间的交互。量子算法（如 VQE、QAOA）通常需要在量子计算和经典计算之间进行多次迭代。

   • 功能类比： 这是最接近传统操作系统内核核心功能的部分，它管理着量子计算机的“计算资源”（量子比特、量子门、执行时间），进行调度、编译优化（类似进程调度和内存管理），并处理与经典系统的交互（类似 I/O 管理）。

3. 量子编程框架与应用层：

   • 这是用户直接接触的层面，如 IBM 的 Qiskit、Google 的 Cirq、Rigetti 的 Forest/PyQuil、微软的 Q# + Azure Quantum 等。

   • 它们提供高级编程语言、库和工具，让开发者能够设计和运行量子算法。

   • 它们通常通过云 API 或本地 SDK 与底层的量子资源管理层/运行时系统交互。

   • 功能类比： 这类似于传统操作系统上的应用程序和用户接口（命令行、图形界面、开发环境）。用户在这里编写“量子程序”。

为什么说它“是”操作系统？

• 它管理着计算机的核心资源（量子比特、量子门操作、执行时间）。

• 它提供硬件抽象，让用户无需直接操作复杂的物理控制。

• 它负责任务的调度和执行。

• 它管理用户访问和资源分配（尤其在云端平台）。

• 它编译和执行用户程序。

为什么说它与传统操作系统“不同”？

• 核心任务不同： 核心任务是精确控制量子态、管理高度易失且易错的量子资源、编译优化量子电路、处理量子-经典混合计算，而不是管理文件系统、内存分页、多用户桌面环境等。

• 抽象层次不同： 抽象的是量子操作（量子门、量子比特），而不是 CPU 指令、内存地址、文件、进程、线程。

• 实时性要求极高： 底层控制对时序和精度有极其苛刻的要求。

• 强依赖经典计算： 当前量子计算机无法独立运行，其“操作系统”严重依赖并与强大的经典控制系统紧密耦合。

• 发展阶段： 量子计算机的操作系统仍处于非常早期和快速发展的阶段，远不如经典操作系统成熟和标准化。不同厂商的实现差异很大。

总结：

量子计算机拥有一个执行操作系统核心功能（资源管理、任务调度、硬件抽象、程序执行）的软件层，特别是其中的量子资源管理层/运行时系统。虽然它在外观和具体实现细节上与 Windows 或 Linux 截然不同，但其核心作用是类似的：管理硬件资源并提供一个平台让用户程序（量子程序）得以运行。随着量子计算的发展，这个“量子操作系统”层会变得更加复杂和标准化，并可能逐渐包含更多我们熟悉的操作系统功能（尤其是在用户管理和多任务处理方面）。

你可以将 IBM Quantum Experience 的云后端调度器、Qiskit Runtime， Rigetti 的 Quantum Cloud Services， 微软 Azure Quantum 的编排层等，视为早期量子计算机操作系统的具体实现。

从现有信息来看，量子计算机操作系统的开源情况因项目而异，部分系统已明确开源，部分则未公开说明。以下是主要项目的开源状态总结：

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 一、国际开源项目

1. 日本大阪大学 OQTOPUS

   • 开源状态：已开源
     2025年3月由大阪大学联合富士通等机构发布，提供完整的量子计算操作系统，覆盖从硬件控制到任务调度的全流程。设计灵活且支持云环境部署，旨在降低量子系统操作门槛1。

   • 特点：支持定制化，促进量子软件标准化，已整合至大阪大学的量子云服务中。

2. 启科量子 QuSprout

   • 开源状态：已开源（CPU版本）
     作为量子计算模拟后端，与编程框架 QuTrunk 配合使用，支持多任务管理和并行计算。采用C++开发，兼容Linux系统（Ubuntu/CentOS/Kylin），GPU版本计划开源236。

   • 性能：在亚马逊云平台测试中，GPU加速比CPU快6–8倍67。

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 二、中国开源项目

1. 启科量子系列工具链

   • QuTrunk（编程框架）：已开源，提供量子编程API和跨平台支持9。

   • Runtime（部署工具）：已开源，一键安装量子算法环境，兼容第三方库（如Qiskit、PyTorch）及GPU驱动59。

2. 本源量子 PilotOS

   • 开源状态：未明确
     中国首款量子计算机操作系统客户端，集成QPanda框架和本地开发环境，支持Windows系统离线运行。但官网及报道未提及开源计划，目前仅提供安装包下载4810。

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 三、未明确开源的系统

• IBM Quantum、Google Cirq 等商业平台：
  未提及开源操作系统层，主要提供编程框架（如Qiskit、Cirq）的开源支持，底层控制系统通常闭源。

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 总结

• ✅ 已开源：日本OQTOPUS、启科QuSprout/QuTrunk/Runtime。

• ⚠️ 未开源/未说明：本源量子PilotOS（仅客户端开放下载）、多数商业平台的底层系统。

量子计算的开源生态正快速发展，尤其是工具链和模拟器领域，但完整的操作系统级开源仍集中在少数研究机构项目中。如需具体代码库，可访问大阪大学GitHub或启科量子开源页面129。