整体架构图

本源司南的整体架构如下图所示。

应用层：主要指用户编程空间，用户可以在本源司南系统之上开发各种应用程序。

应用开发工具包：本源司南为上层用户提供了多种开发工具包，这些工具包已集成到 Pilot 系统中。部署司南系统后，用户可以直接基于这些工具包进行二次功能开发或快速验证量子算法。目前包含的工具套件有： ChemiQ（量子计算化学软件包）、 QFinancial（量子金融开发工具包）、 QCFD（量子计算流体动力学开发工具包）、 Quantum Heuristic Algorithm Toolkit（量子启发式算法工具包） 以及 System Manager Interface（系统管理 API）。

内置编程框架：本源司南系统提供三种集成的编程框架：

a. 量子编程框架。 专用于量子程序开发的框架，提供：1) 高级量子编程语言；2) 用于执行和验证量子算法的模拟接口；高级量子线路工具，包括线路打印、等价性检查、线路反转以及转换为其他量子编程语言（如 Qiskit, Cirq）。

b. 量子-经典混合编译框架。 通过以下方式优化混合量子-经典程序：1) 分析并调度量子任务与经典任务之间的执行顺序；2) 应用编译器级优化以提高整体算法效率和资源利用率。

c. 量子机器学习 (QML) 框架。 支持量子与混合机器学习模型的无缝开发，具备：1) 基于 Python 的用户友好 API，支持自动微分和动态计算图；2) 在多种硬件后端（量子处理器、CPU、GPU）上的统一执行；3) 内置用于加速训练和推理的高性能数值库；4) 兼容主流机器学习框架（如 PyTorch, TensorFlow），便于集成到现有的 ML 工作流中。

系统接口：上层应用访问本源司南系统的统一入口。它强制隔离系统层与应用层，确保用户空间应用只能有限地、受控地访问系统资源，从而维护系统的稳定性和安全性。

计算服务层：处理具有专用处理逻辑的特定业务场景，将应用级计算任务与核心系统计算解耦，以确保整体计算的稳定性。目前集成的服务包括：1) 量子态层析 (QST)，2) 期望值估计，3) 误差缓解 (EM) 计算，4) 分布式量子线路计算。

系统服务层：本源司南量子操作系统构建在一组核心、可互操作的模块之上：系统管理模块、调度服务模块、编译服务模块、资源管理模块和后端服务模块。这些模块通过安全的内部系统通道进行无缝通信，实现协调的工作流执行——从任务提交和编译到资源分配和物理硬件上的量子计算。该架构设计关注点分离且松耦合，确保了跨异构量子后端的高可靠性、可扩展性和兼容性。

计算后端：本源司南原生支持多种量子计算后端，包括超导量子处理器、量子模拟器以及经典计算后端。