[論文レビュー] QFaaS: A Serverless Function-as-a-Service Framework for Quantum Computing

Hoa T. Nguyen, Muhammad Usman+1 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 37被引用数 5

ひとこと要約

QFaaS は、複数の量子SDK（Qiskit、Q#、Cirq、Braket）および実行ターゲット（シミュレータおよびIBM Quantum やAmazon Braket などのクラウドプロバイダー）を統合する、サーバessな関数としてのサービス（Function-as-a-Service）フレームワークです。コンテナ化、DevOps統合、標準化された関数ライフサイクルを通じて、ハイブリッド量子古典的アプリケーション開発を可能にし、Noisy Intermediate-Scale Quantum時代における量子ネイティブなソフトウェア工学への移行に伴う開発者の負担を顕著に軽減します。

ABSTRACT

Recent breakthroughs in quantum hardware are creating opportunities for its use in many applications. However, quantum software engineering is still in its infancy with many challenges, especially dealing with the diversity of quantum programming languages and hardware platforms. To alleviate these challenges, we propose QFaaS, a novel Quantum Function-as-a-Service framework, which leverages the advantages of the serverless model and the state-of-the-art software engineering approaches to advance practical quantum computing. Our framework provides essential components of a quantum serverless platform to simplify the software development and adapt to the quantum cloud computing paradigm, such as combining hybrid quantum-classical computation, containerizing functions, and integrating DevOps features. We design QFaaS as a unified quantum computing framework by supporting well-known quantum languages and software development kits (Qiskit, Q#, Cirq, and Braket), executing the quantum tasks on multiple simulators and quantum cloud providers (IBM Quantum and Amazon Braket). This paper proposes architectural design, principal components, the life cycle of hybrid quantum-classical function, operation workflow, and implementation of QFaaS. We present two practical use cases and perform the evaluations on quantum computers and simulators to demonstrate our framework's ability to ease the burden on traditional engineers to expedite the ongoing quantum software transition.

研究の動機と目的

• 量子ソフトウェア工学における課題、特に学習曲線の急峻さ、ツールチェーンの多様性、標準化された開発ライフサイクルの欠如に対処すること。
• 低レベルの量子インフラや実行詳細を抽象化することで、ハイブリッド量子古典的アプリケーションの開発とデプロイを簡素化すること。
• 従来のソフトウェアエンジニアが量子力学の深い知識をほとんど持たずに、量子関数を構築・スケーリングできるようにすることで、産業界における量子コンピューティングの採用を加速すること。
• 標準化されたサーバessな抽象化レイヤーを通じて、多様な量子プログラミング言語とハードウェアプラットフォームへの統合的アクセスを実現すること。
• DevOpsプラクティスとコンテナ化を量子アプリケーションワークフローに統合することで、量子ネイティブなソフトウェア工学への移行を支援すること。

提案手法

• 言語に依存しない関数インターフェースを通じて、複数の量子SDK（Qiskit、Q#、Cirq、Braket）をサポートするモジュール型でマイクロサービスアーキテクチャを設計すること。
• 量子関数をコンテナとしてパackし、イベント駆動型ワークフローによってトリガーされるサーバess実行モデルを実装すること。
• CI/CDパイプライン、ログ記録、モニタリング、バージョン管理などのDevOps機能を量子関数に統合すること。
• シミュレータや物理デバイス上で古典的制御論理と量子回路実行をオーケストレーションすることで、ハイブリッド量子古典的計算を支援すること。
• 統一されたAPI抽象化レイヤーを通じて、IBM Quantum やAmazon Braket などの複数の量子バックエンドへのシームレスなデプロイを可能にすること。
• Docker などのコンテナ化技術を活用して量子関数をカプセル化し、環境間でのポータビリティと再現性を確保すること。

Figure 1 . An example quantum circuit for the Deutsch-Jozsa Algorithm (generated by using Qiskit)

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統一的でサーバessなフレームワークは、異種の量子SDKおよびハードウェアプラットフォーム間で、量子アプリケーションの開発とデプロイの複雑さをどの程度軽減できるか？
• RQ2 DevOpsおよびコンテナ化プラクティスは、量子ソフトウェア工学にどの程度適応可能であり、信頼性、スケーラビリティ、保守性の向上に寄与できるか？
• RQ3 関数としてのサービス抽象化は、最小限のパフォーマンスオーバーヘッドでハイブリッド量子古典的ワークロードを効果的にサポートできるか？
• RQ4 QFaaSフレームワークは、量子力学に深い専門知識を持たない従来のソフトウェアエンジニアが、量子アプリケーションをどのように構築できるか？
• RQ5 標準化されたクラウドベースのインターフェースを通じて、実際の量子ハードウェアおよびシミュレータ上で量子関数を実行する際の実現可能性とパフォーマンスはどのようになるか？

主な発見

• QFaaS は、Qiskit、Q#、Cirq、Braket を含む複数の量子SDKでハイブリッド量子古典的関数の実行を成功裏にサポートし、多様な開発環境間での相互運用性を実現した。
• フレームワークは、標準化されたインターフェースを通じて、デプロイ、呼び出し、モニタリング、バージョニングを含む量子関数ライフサイクル管理のエンドツーエンド対応を示した。
• IBM Quantum およびAmazon Braket プラットフォームでの評価により、実デバイスおよびシミュレータの両方で量子タスクの信頼性ある実行が可能であることが確認された。
• QFaaS におけるDevOpsおよびコンテナ化の統合により、開発者の運用負担が軽減され、量子アプリケーションの再現性とスケーラビリティが向上した。
• フレームワークにより、非量子専門家が量子力学の知識をほとんど必要とせずに、量子関数の開発とデプロイが可能になった。これは、量子ネイティブなソフトウェア工学への移行を加速した。
• QFaaS はオープンソースとしてGitHubで公開されており、コミュニティの協働と、将来的な追加の量子プロバイダーおよびSDKへの拡張性を促進している。

Figure 2 . Overview of QFaaS Components and Architecture Design