[논문 리뷰] Trials and Tribulations of Developing Hybrid Quantum-Classical Microservices Systems

Javier Rojo, David Valencia외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 10.

Cloud Computing and Resource Management참고 문헌 29인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 클래식-양자 마이크로서비스 아키텍처에 양자 알고리즘을 통합하는 데의 타당성을 평가하기 위해 Amazon Braket를 사용하여 여행하는 판매원 문제를 위한 양자 마이크로서비스를 구현한다. 핵심 서비스 지향 원칙인 조합 가능성과 재사용성에 해를 가하는 하드웨어 결합, 벤더별 결과, 노이즈 의존성, 중간 검증 부족 등의 심각한 제약 요소를 규명한다.

ABSTRACT

Quantum computing holds great promise to solve to problems where classical computers cannot reach. To the point where it already arouses the interest of both scientific and industrial communities. Thus, it is expected that hybrid systems will start to appear where quantum software interacts with classical systems. Such coexistence can be fostered by service computing. Unfortunately, the way in which quantum code can be offered as a service still misses out on many of the potential benefits of service computing. This paper takes the traveling salesman problem, and tackles the challenge of giving it an implementation in the form of a quantum microservice. Then it is used to detect which of the benefits of service computing are lost in the process. The conclusions help to measure the distance between the current state of technology and the state that would be desirable in order to have a real quantum service engineering.

연구 동기 및 목표

• 하이브리드 클래식-양자 아키텍처 내에서 양자 알고리즘을 마이크로서비스로 구현하는 데 직면한 과제를 조사하기 위해.
• 현재의 양자 플랫폼이 조합 가능성, 재사용성, 하드웨어 추상화와 같은 핵심 서비스 지향 컴퓨팅 원칙을 어떻게 약화시키는지 규명하기 위해.
• Amazon Braket에서 실제 문제인 여행하는 판매원 문제를 기반으로 양자 마이크로서비스의 실용적 타당성을 평가하기 위해.
• 큐비트 토폴로지, 노이즈, 결과 형식 등의 하드웨어 특성에 기인한 제약이 마이크로서비스 상호운용성과 오케스트레이션에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 클래식 마이크로서비스와 양자 컴퓨팅 사이의 격차를 메우기 위한 양자 서비스 공학 방법론의 긴급한 필요성을 부각하기 위해.

제안 방법

• Amazon Braket의 양자 SDK와 Qiskit 기반 회로 컴파일링을 사용하여 여행하는 판매원 문제를 위한 양자 마이크로서비스를 구현하였다.
• Amazon Braket 를 통해 세 가지 다른 양자 하드웨어 제공업체(Rigetti, IonQ, D-Wave)에 걸쳐 양자 마이크로서비스를 배포하여 이식성과 일관성을 평가하였다.
• 실행 파이프라인 평가: 양자 회로 생성 → 대상 하드웨어에 대한 컴파일링 → 클라우드 기반 양자 프로세서에서의 실행 → 결과 수신.
• 벤더 간 결과 형식, 오류율, 실행 시간의 차이를 분석하여 하드웨어 결합 정도를 정량화하였다.
• 파동함수 붕괴로 인해 중간 양자 상태에 접근할 수 없어 런타임 검증 및 오케스트레이션 능력이 제한됨을 평가하였다.
• Azure Quantum와 IBM Quantum와 같은 기존 도구를 평가하여, 마이크로서비스 개발에 있어 Amazon Braket에 비해 유의미한 이점이 없음을 발견하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 클래식-양자 아키텍처에서 양자 알고리즘을 효과적으로 일급 마이크로서비스로 추상화할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ2 큐비트 토폴로지, 노이즈, 결과 형식 등의 하드웨어 특성이 양자 마이크로서비스의 이식성과 상호운용성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 양자 마이크로서비스가 클래식 마이크로서비스와 동일한 품질 특성(예: 재사용성, 유지보수성)을 달성하는 데 방해가 되는 주요 기술적 장벽은 무엇인가?
• RQ4 측정 과정에서 양자 상태가 붕괴됨으로써 발생하는 런타임 중간 결과 검사 불가능성이 양자 마이크로서비스의 오케스트레이션 및 검증 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기존의 양자 소프트웨어 개발 키트와 클라우드 플랫폼은 벤더 락인을 줄이고 양자 서비스 공학을 향상시키는 데 어떤 역할을 할 수 있는가?

주요 결과

• 큐비트 토폴로지, 게이트 세트, 결과 표현 방식의 차이로 인해 양자 마이크로서비스는 하드웨어에 밀접하게 결합되어 있다.
• 노이즈 수준과 오류율은 양자 프로세서 간에 상당히 다름으로써, 플랫폼 간 일관된 결과를 얻는 것이 어렵다.
• 측정 이후 양자 상태 붕괴로 인해 중간 결과를 런타임에 검사할 수 없어 오케스트레이션 및 디버깅 능력이 심각하게 제한된다.
• 현재 플랫폼은 양자 마이크로서비스를 위한 표준화된 인터페이스를 지원하지 않아 서비스 지향 컴퓨팅의 핵심 원칙인 하드웨어 추상화 원칙을 위반한다.
• Amazon Braket, Azure Quantum, IBM Quantum와 같은 도구가 제공되지만, 현재로서는 진정으로 이식 가능하거나 상호운용 가능한 양자 마이크로서비스를 구현할 수 있는 솔루션이 없다.
• 성숙한 양자 DevOps 및 신뢰 메커니즘이 부족하여, 생산 수준의 하이브리드 시스템에서 양자 마이크로서비스의 운영화가 더욱 어렵게 된다.