[논문 리뷰] QFaaS: A Serverless Function-as-a-Service Framework for Quantum Computing

Hoa T. Nguyen, Muhammad Usman외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 30.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 37인용 수 5

한 줄 요약

QFaaS는 Qiskit, Q#, Cirq, Braket 등 여러 양자 SDK와 시뮬레이터 및 IBM Quantum, Amazon Braket 등의 클라우드 제공업체를 통합 지원하는 서버리스 기반의 양자 컴퓨팅을 위한 Function-as-a-Service 프레임워크입니다. 컨테이너화, DevOps 통합 및 표준화된 함수 라이프사이클을 통해 하이브리드 양자-클래식 애플리케이션 개발을 가능하게 하여, 노이지 인터미디에이트 스케일 큐잉(Noisy Intermediate-Scale Quantum) 시대에 양자 네이티브 소프트웨어 엔지니어링으로의 전환 과정에서 개발자의 부담을 크게 줄입니다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 소프트웨어 엔지니어링의 과제, 즉 날카로운 학습 곡선, 도구 체인의 이질성, 표준화된 개발 라이프사이클 부족 문제를 해결하기 위해.
• 저수준의 양자 인프라와 실행 세부 정보를 추상화하여 하이브리드 양자-클래식 애플리케이션의 개발 및 배포를 단순화하기 위해.
• 기존 소프트웨어 엔지니어들이 양자 역학에 깊은 전문 지식 없이도 양자 함수를 구축하고 확장할 수 있도록 하여 산업 현장에서의 양자 컴퓨팅 도입을 가속화하기 위해.
• 표준화된 서버리스 추상화 계층을 통해 다양한 양자 프로그래밍 언어와 하드웨어 플랫폼에 대한 통합 액세스를 제공하기 위해.
• DevOps 관행과 컨테이너화를 양자 애플리케이션 워크플로우에 통합하여 양자 네이티브 소프트웨어 엔지니어링로의 전환을 지원하기 위해.

제안 방법

• 다양한 양자 SDK(Qiskit, Q#, Cirq, Braket)를 언어에 종속되지 않는 함수 인터페이스를 통해 지원하는 모듈러하고 마이크로서비스 기반 아키텍처 설계.
• 양자 함수를 컨테이너로 팩키징하고 이벤트 기반 워크플로우를 통해 트리거하는 서버리스 실행 모델 구현.
• CI/CD 파이프라인, 로깅, 모니터링, 버전 관리 등 양자 함수를 위한 DevOps 기능 통합.
• 시뮬레이터 또는 실제 장치에서 양자 회로 실행과 함께 클래식 제어 논리를 오케스트레이션하여 하이브리드 양자-클래식 계산 지원.
• 통합 API 추상화 계층을 통해 IBM Quantum와 Amazon Braket을 포함한 다양한 양자 백엔드로의 원활한 배포를 가능하게 함.
• Docker 등 컨테이너화를 활용해 양자 함수를 封장하고 환경 간 이식성과 재현 가능성을 보장함.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 양자 SDK와 하드웨어 플랫폼 간 이질적인 환경에서 양자 애플리케이션 개발 및 배포의 복잡성을 줄이기 위해 통합된 서버리스 프레임워크는 어떻게 작용할 수 있는가?
• RQ2 DevOps 및 컨테이너화 관행이 양자 소프트웨어 엔지니어링에 얼마나 잘 적응되어 신뢰성, 확장성, 유지보수성 향상에 기여할 수 있는가?
• RQ3 함수로서의 서비스 추상화가 최소한의 성능 오버헤드로 하이브리드 양자-클래식 워크로드를 효과적으로 지원할 수 있는가?
• RQ4 QFaaS 프레임워크는 기존 소프트웨어 엔지니어가 양자 역학에 깊은 전문 지식 없이도 양자 애플리케이션을 개발할 수 있도록 어떻게 지원하는가?
• RQ5 표준화된 클라우드 기반 인터페이스를 통해 실제 양자 하드웨어와 시뮬레이터에서 양자 함수를 실행하는 데 있어 실현 가능성과 성능은 어떠한가?

주요 결과

• QFaaS는 Qiskit, Q#, Cirq, Braket 등 다양한 양자 SDK를 지원하여 서로 다른 개발 환경 간 상호운용성을 실현함.
• 표준화된 인터페이스를 통해 배포, 호출, 모니터링, 버전 관리에 이르기까지 양자 함수 라이프사이클 관리 전 과정을 종합적으로 지원함.
• IBM Quantum와 Amazon Braket 플랫폼에서의 평가를 통해 실제 장치와 시뮬레이터 모두에서 양자 작업을 신뢰성 있게 실행할 수 있음을 확인함.
• QFaaS에 DevOps 및 컨테이너화 관행을 통합함으로써 개발자의 운영 부담을 감소시키고 양자 애플리케이션의 재현 가능성과 확장성 향상에 기여함.
• 비양자 전문가도 양자 역학에 깊은 지식 없이도 양자 함수를 개발하고 배포할 수 있도록 지원하여, 양자 네이티브 소프트웨어 엔지니어링으로의 전환을 가속화함.
• QFaaS는 오픈소스로 GitHub에 공개되어 있어 커뮤니티 협업을 촉진하고 향후 추가적인 양자 제공업체 및 SDK에 대한 확장성 확보.

Figure 2 . Overview of QFaaS Components and Architecture Design