[논문 리뷰] Hybrid Quantum Applications Need Two Orchestrations in Superposition: A Software Architecture Perspective

Frank Leymann, Johanna Barzen|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 07.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 양자 응용 프로그램을 위한 이중 조율 소프트웨어 아키텍처를 제안하며, 고전적 워크플로우와 양자 회로가 중첩 상태에서 동시에 조율되어 원활한 통합을 가능하게 한다. 이는 고전적 워크플로우 조율과 양자 회로 조율라는 두 가지 서로 다른 조율 방식을 지원하는 런타임 환경을 도입하여, 확장 가능하고 비단순적인 양자 응용 프로그램을 위해 둘 다 필수적임을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고전적 프로그램, 양자 회로, 복잡한 데이터 토폴로지가 결합된 하이브리드 양자 응용 프로그램을 구성하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 고전적 워크플로우와 양자 회로를 위한 두 가지 별개의 조율 레이어가 필요하다는 것을 규명하기 위해.
• 양자 및 고전적 조율이 중첩 상태에서 동시에 작동하도록 지원하는 소프트웨어 아키텍처를 제안하기 위해.
• 이러한 하이브리드 응용 프로그램을 효율적이고 신뢰성 있게 실행하기 위한 런타임 환경의 요구사항을 정의하기 위해.
• 향후 생산 수준의 양자 소프트웨어 공학을 위한 도구 및 프레임워크 개발을 위한 개념적 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 고전적 워크플로우 조율과 양자 회로 조율라는 두 가지 다른 맥락에서 '조율'의 개념을 도입한다.
• 고전적 구성 요소와 양자 구성 요소가 별개이지만 상호 조율되는 조율 레이어를 갖춘 이중 조율 모델을 제안한다.
• 고전적 제어 논리와 양자 회로 실행이 동시에 조율되어야 하는 방식을 보여주기 위해 비단순 응용 프로그램 예제를 사용한다.
• 양자 중첩과 보존 상태를 유지하면서도 두 조율 레이어를 조율할 수 있는 통합 런타임 환경의 역할을 정의한다.
• 고전적 구성 요소에는 기존의 워크플로우 및 조율 기술(예: BPMN, 워크플로우 엔진)을 활용하고, 양자 회로에는 전용 실행 모델을 적용한다.
• 양자 및 고전적 논리를 중첩 상태에서 동적으로 조합하고 조율할 수 있는 소프트웨어 아키텍처의 필요성을 강조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하이브리드 양자 응용 프로그램에서 고전적 구성 요소와 양자 구성 요소를 효과적으로 조율할 수 있는가?
• RQ2 고전적 워크플로우 조율과 양자 회로 조율가 동시에 존재할 수 있도록 지원하기 위한 아키텍처 패턴은 무엇인가?
• RQ3 두 조율 레이어가 중첩 상태에서 동시에 작동하여 동적이고 조합 가능한 양자 응용 프로그램을 가능하게 하기 위해선 어떻게 해야 하는가?
• RQ4 이중 조율를 지원하는 런타임 환경의 핵심 구성 요소와 인터페이스는 무엇인가?
• RQ5 이중 조율는 확장 가능한 양자 소프트웨어의 설계 및 실행에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 하이브리드 양자 응용 프로그램은 고전적 제어 및 데이터 흐름을 위한 하나의 조율 레이어와 양자 회로 실행을 위한 다른 하나의 조율 레이어라는 두 가지 별개의 조율 레이어가 필요하다.
• 고전적 조율와 양자 조율는 중첩 상태에서 동시에 작동해야만 동적이고 조합 가능하며 확장 가능한 양자 응용 프로그램을 가능하게 한다.
• 제안된 이중 조율 모델은 통합 런타임 환경을 통해 고전적 워크플로우와 양자 회로의 원활한 통합을 가능하게 한다.
• 비단순 예제를 통해 두 조율 레이어가 하이브리드 응용 프로그램에서 복잡한 데이터 토폴로지와 제어 논리를 관리하기 위해 필수적임을 입증한다.
• 이 아키텍처는 양자 응용 프로그램이 단지 양자 알고리즘에 국한되지 않으며, 중첩 상태를 고려한 조율 방식으로 고전적 구성 요소와 양자 구성 요소를 조율적으로 통합하는 데 중점을 둔다는 점을 드러낸다.
• 이 논문은 향후 생산 수준의 양자 소프트웨어 공학을 위한 도구 및 프레임워크 개발을 위한 기초를 마련하며, 이중 조율 패턴을 기반으로 한다.