[論文レビュー] Hybrid Quantum Applications Need Two Orchestrations in Superposition: A Software Architecture Perspective

Frank Leymann, Johanna Barzen|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ハイブリッド量子アプリケーションのためのデュアルオーケストレーションソフトウェアアーキテクチャを提案する。古典的ワークフローと量子回路が重ね合わせ状態でオーケストレーションされることで、スムーズな統合が可能になる。ランタイム環境を導入し、古典的ワークフローのオーケストレーションと量子回路のオーケストレーションという2つの異なるオーケストレーションをサポートしており、両者がスケーラブルで非自明な量子アプリケーションに不可欠であることを示している。

ABSTRACT

Quantum applications are most often hybrid, i.e. they are not only made of implementations of pure quantum algorithms but also of classical programs as well as workflows and topologies as key artifacts, and data they process. Since workflows and topologies are referred to as orchestrations in modern terminology (but with very different meaning), two orchestrations that go hand-in-hand are required to realize quantum applications. We motivate this by means of a non-trivial example, sketch these orchestration technologies and reveal the overall structure of nontrivial quantum applications as well as the implied architecture of a runtime environment for such applications.

研究の動機と目的

• 古典的プログラム、量子回路、および複雑なデータトポロジーを組み合わせたハイブリッド量子アプリケーションの構成という課題に対処すること。
• 古典的ワークフローと量子回路の2つの別々のオーケストレーションレイヤーの必要性を特定すること。
• 両方のオーケストレーションが重ね合わせ状態で動作するように設計されたソフトウェアアーキテクチャを提案することにより、動的で合成可能な量子アプリケーションを実現すること。
• このようなハイブリッドアプリケーションを効率的かつ信頼性高く実行するためのランタイム環境の要件を定義すること。
• 将来のツールキットおよびフレームワークが生産用途向け量子ソフトウェア工学を支援するための概念的基盤を提供すること。

提案手法

• 古典的ワークフローのオーケストレーションと量子回路のオーケストレーションという2つの文脈における「オーケストレーション」の概念を導入する。
• 古典的および量子コンポーネントが別々のが管理されるが連携する2つのオーケストレーションレイヤーを持つデュアルオーケストレーションモデルを提案する。
• 非自明な応用例を用いて、古典的制御論理と量子回路実行が並列にオーケストレーションされる方法を説明する。
• 両方のオーケストレーションレイヤーを統合的に制御するが、量子の重ね合わせ状態とコherenceを保持するユニフィードランタイム環境の役割を定義する。
• 古典的コンポーネントには既存のワークフローおよびオーケストレーション技術（例：BPMN、ワークフロー・エンジン）を、量子回路には量子固有の実行モデルを活用する。
• 重ね合わせ状態で動作する古典的および量子論理の動的合成と連携を可能にするソフトウェアアーキテクチャの必要性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッド量子アプリケーションにおいて、古典的および量子コンポーネントを効果的にオーケストレーションする方法は何か？
• RQ2 古典的ワークフローのオーケストレーションと量子回路のオーケストレーションが共存するためのアーキテクチャパターンは何か？
• RQ3 両方のオーケストレーションレイヤーが重ね合わせ状態で動作することで、動的で合成可能かつスケーラブルな量子アプリケーションを実現するにはどうすればよいか？
• RQ4 デュアルオーケストレーションをサポートするランタイム環境の主要な構成要素とインターフェースは何か？
• RQ5 デュアルオーケストレーションが、スケーラブルな量子ソフトウェアの設計および実行に及ぼす影響は何か？

主な発見

• ハイブリッド量子アプリケーションには、2つの別々のオーケストレーションレイヤーが必要である。1つは古典的制御およびデータフローのためのもので、もう1つは量子回路実行のためのものである。
• 古典的および量子オーケストレーションは、重ね合わせ状態で動作することで、動的で合成可能かつスケーラブルな量子アプリケーションを実現できる。
• 提案されたデュアルオーケストレーションモデルにより、統合されたランタイム環境を通じて古典的ワークフローと量子回路のシームレスな統合が可能になる。
• 非自明な応用例は、複雑なデータトポロジーや制御論理を管理するために、両方のオーケストレーションレイヤーが不可欠であることを示している。
• このアーキテクチャは、量子アプリケーションが単に量子アルゴリズムの話ではなく、古典的および量子コンポーネントを重ね合わせに配慮した形で連携してオーケストレーションするという点を明らかにしている。
• 本論文は、将来のツールキットおよびフレームワークがデュアルオーケストレーションパターンを用いて生産用途向け量子ソフトウェア工学を支援するための基盤を確立している。