[논문 리뷰] A Serverless Cloud Integration For Quantum Computing

Michele Grossi, Luca Crippa외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 05.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 16인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 IBM Cloud 서비스를 사용하는 구성 가능한 이벤트 기반 프레임워크를 통해 기업 소프트웨어 시스템에 양자 컴퓨팅을 통합하는 서버리스 클라우드 아키텍처를 제안한다. 이는 비동기적 작업 제출, 스케줄링, 결과 검색을 분리된 마이크로서비스 파이프라인을 통해 가능하게 하며, 하이브리드 클래식-양자 애플리케이션을 위한 프로덕션 수준의 최소 기능 제품(MVP)을 구현한다. 재사용 가능한 오픈소스 컴포onent를 포함한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 엔터프라이즈 소프트웨어 아키텍처에 양자 컴퓨팅 API를 확장 가능하고 재사용 가능한 방식으로 통합하는 데 도전하는 것.
• 비동기적 양자 작업 제출 및 결과 검색을 지원하는 프로덕션 수준의 구성 기반 시스템을 설계하는 것.
• 하이브리드 클래식-양자 웹 애플리케이션을 개발자와 최종 사용자가 배포하기 어려운 복잡성을 줄이는 것.
• Apache Kafka와 같은 스트리밍 기술을 활용해 양자 계산 결과를 실시간으로 이벤트 기반으로 처리하는 것.
• IBM Quantum 및 클라우드 네이티브 기술과의 종단 간 통합을 보여주는 최소 기능 제품(MVP)을 제공하는 것.

제안 방법

• 시스템은 IBM Cloud에서 호스팅된 서버리스 마이크로서비스 아키텍처를 사용하며, Cloud Functions, Event Streams, Cloudant을 활용해 상태 관리를 수행한다.
• 프론트엔드 인터페이스를 통해 사용자는 저수준 프로그래밍 없이도 양자 애플리케이션을 선택하고 실행할 수 있다.
• QuantumUtils 컴포넌트가 관리하는 API 키 인증을 통해 Qiskit SDK를 사용해 작업을 IBM Quantum에 제출한다.
• 작업 상태를 양자 백엔드에서 풀링 기반 워커 서비스(PollingIBMQ)가 모니터링하며, 지능적인 큐잉 및 예상 완료 시간 추적 기능을 제공한다.
• Event Streams(Kafka 기반)를 통해 작업 완료를 실시간으로 발행/구독 기반으로 알림을 제공하며, 사용자별 토픽 할당을 통해 메시지 격리 보장한다.
• 예상 완료 시간이 짧은 작업을 우선순위로 정하는 우선순위 기반 스케줄링 전략을 구현해 사용자 대기 시간을 줄이고 시스템 반응성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 기존 엔터프라이즈 소프트웨어 아키텍처에 확장 가능하고 재사용 가능한 방식으로 양자 컴퓨팅을 효과적으로 통합할 수 있는가?
• RQ2 어떤 아키텍처 패턴이 양자 컴퓨팅 워크로드에 대해 효율적이고 비동기적 작업 제출 및 결과 검색을 가능하게 하는가?
• RQ3 이벤트 기반 서버리스 컴퓨팅은 프로덕션 환경에서 양자 작업의 상태와 라이프사이클을 어떻게 관리하는 데 활용될 수 있는가?
• RQ4 구성 기반, 느슨하게 결합된 컴포넌트는 양자 통합 시스템의 확장성과 유지보수성 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 저수준 양자 실행 세부 정보를 고수준의 재사용 가능한 프레임워크로 추상화함으로써 사용자 경험은 어떻게 향상될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 프레임워크는 IBM Cloud에 배포된 프로덕션 수준의 오픈소스 MVP를 통해 종단 간 양자 작업 관리를 성공적으로 구현한다.
• Apache Kafka 기반 Event Streams를 사용한 이벤트 기반 아키텍처는 사용자별 메시지 라우팅을 보장하며 실시간으로 확장 가능한 작업 완료 알림을 보장한다.
• 풀링 기반 작업 모니터링 컴포넌트는 예상 완료 시간을 기반으로 지능적으로 작업을 우선순위 정렬해 사용자 대기 시간을 줄이고 시스템 반응성을 향상시킨다.
• 시스템은 서버리스 및 마이크로서비스 패턴이 엔터프라이즈 환경에서 하이브리드 클래식-양자 워크로드를 오케스트레이션하는 데 실현 가능하다는 것을 입증한다.
• 프레임워크는 모듈성과 느슨한 결합 원칙을 유지하면서 IBM Quantum 이외의 다른 양자 API에도 확장 가능하게 설계되어 있어 유연성을 갖춘다.
• 개발자와 연구자가 양자 하드웨어나 저수준 API 상호작용에 깊은 전문 지식 없이도 양자 기능을 갖춘 애플리케이션을 개발할 수 있도록 명확한 추상화 계층을 제공한다.