[論文レビュー] A Serverless Cloud Integration For Quantum Computing

Michele Grossi, Luca Crippa+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 16被引用数 15

ひとこと要約

この論文では、IBM Cloudサービスを活用した設定可能でイベント駆動型のフレームワークを通じて、エントレプロソフトウェアシステムに量子コンピューティングを統合する、サーバーヲスのクラウドアーキテクチャを提案している。非同期ジョブの送信、スケジューリング、結果の取得を分離されたマイクロサービスパイプラインで実現し、ハイブリッド古典的・量子アプリケーション向けに生産環境対応の最小構成プロダクト（MVP）を実証した。再利用可能でオープンソースのコンponentsを備えている。

ABSTRACT

Starting from the idea of Quantum Computing which is a concept that dates back to 80s, we come to the present day where we can perform calculations on real quantum computers. This sudden development of technology opens up new scenarios that quickly lead to the desire and the real possibility of integrating this technology into current software architectures. The usage of frameworks that allow computation to be performed directly on quantum hardware poses a series of challenges. This document describes a an architectural framework that addresses the problems of integrating an API exposed Quantum provider in an existing Enterprise architecture and it provides a minimum viable product (MVP) solution that really merges classical quantum computers on a basic scenario with reusable code on GitHub repository. The solution leverages a web-based frontend where user can build and select applications/use cases and simply execute it without any further complication. Every triggered run leverages on multiple backend options, that include a scheduler managing the queuing mechanism to correctly schedule jobs and final results retrieval. The proposed solution uses the up-to-date cloud native technologies (e.g. Cloud Functions, Containers, Microservices) and serves as a general framework to develop multiple applications on the same infrastructure.

研究の動機と目的

• 既存のエントレプロソフトウェアアーキテクチャに量子コンピューティングAPIをスケーラブルかつ再利用可能に統合する課題に対処すること。
• 非同期の量子ジョブ送信と結果の取得をサポートする、生産環境対応で設定駆動のシステムを設計すること。
• ハイブリッド古典的・量子ウェブアプリケーションのデプロイの複雑さを、開発者およびエンドユーザーの両方が軽減できること。
• Apache Kafka などのストリーミング技術を活用して、量子計算結果のリアルタイムでイベント駆動型の処理を実現すること。
• IBM Quantum とクラウドネイティブ技術とのエンドツーエンド統合を実証する最小構成プロダクト（MVP）を提供すること。

提案手法

• システムは、IBM Cloud 上でホスティングされたサーバーヲスで、マイクロサービスベースのアーキテクチャを採用し、Cloud Functions、Event Streams、Cloudant を使用して状態管理を実現している。
• フロントエンドインターフェースにより、低レベルのコーディングなしで量子アプリケーションを選択して実行できる。
• ジョブは、QuantumUtils コンponent が管理するAPIキー認証を介して Qiskit SDK を通じて IBM Quantum に送信される。
• ポーリングベースのワーカーサービス（PollingIBMQ）が、量子バックエンド上のジョブステータスを監視しており、インテリジェントなキューイングと推定完了時間の追跡が行われている。
• Event Streams（Kafkaベース）により、ジョブ完了のリアルタイムで、公開/購読型の通知が可能になり、ユーザー固有のトピック割り当てによりメッセージの分離が保証される。
• システムは、推定完了時間が短いジョブを優先する優先度ベースのスケジューリング戦略を実装しており、ユーザーの待機時間を短縮し、システムの応答性を向上させている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子コンピューティングを、スケーラブルかつ再利用可能な方法で、既存のエントレプロソフトウェアアーキテクチャに効果的に統合するにはどうすればよいか？
• RQ2 量子コンピューティングワークロードのための効率的で非同期のジョブ送信と結果の取得を実現するアーキテクチャパターンは何か？
• RQ3 イベント駆動型でサーバーレスなコンピューティングは、生産環境における量子ジョブの状態とライフサイクルをどのように管理できるか？
• RQ4 設定駆動型で緩く結合されたコンponents が、量子統合システムの拡張性と保守性を高める役割を果たすのはどのような点か？
• RQ5 低レベルの量子実行詳細を高レベルで再利用可能なフレームワークに抽象化することで、ユーザー体験をどのように向上させられるか？

主な発見

• 提案されたフレームワークは、IBM Cloud 上にデプロイされた生産環境対応のオープンソースMVPを通じて、量子ジョブのエンドツーエンド管理を成功裏に実現した。
• Apache Kafka ベースの Event Streams を使用したイベント駆動型アーキテクチャにより、ユーザー固有のメッセージルーティングを伴い、ジョブ完了のリアルタイムでスケーラブルな通知が保証された。
• ポーリングベースのジョブ監視コンponent は、推定完了時間に基づいてインテリジェントにジョブを優先順位付けしており、ユーザーの待機時間を短縮し、システムの応答性が向上した。
• システムは、サーバーレスおよびマイクロサービスパターンが、エントレプロ環境におけるハイブリッド古典的・量子ワークロードのオーケストレーションに実用的であることを示した。
• フレームワークは拡張可能であり、IBM Quantum 以外の量子APIにも、そのコア設計原則（モularityと緩い結合）を維持したまま適応可能である。
• 開発者や研究者が、量子ハードウェアや低レベルAPIの詳細に深く精通していなくても、量子対応アプリケーションを開発できる明確な抽象化レイヤーを提供した。