[论文解读] Hybrid Quantum Applications Need Two Orchestrations in Superposition: A Software Architecture Perspective

Frank Leymann, Johanna Barzen|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 19被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于混合量子应用的双协调软件架构，其中经典工作流与量子线路在叠加态中被协调，以实现无缝集成。它引入了一个运行时环境，支持两种不同的协调方式——经典工作流协调和量子线路协调——并证明两者对于可扩展的、非平凡的量子应用都至关重要。

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.

研究动机与目标

• 解决组合混合量子应用的挑战，这些应用结合了经典程序、量子线路以及复杂的数据拓扑结构。
• 识别出对两种不同协调层的需求：一个用于经典工作流，另一个用于量子线路。
• 提出一种支持两种协调方式在叠加态中运行的软件架构，以实现动态、可组合的量子应用。
• 定义执行此类混合应用时高效且可靠所需的运行时环境要求。
• 为未来针对生产级量子软件工程的工具和框架提供概念基础。

提出的方法

• 在两种不同语境下引入‘协调’的概念：经典工作流协调和量子线路协调。
• 提出一种双协调模型，其中经典组件和量子组件由各自独立但相互协调的协调层管理。
• 使用一个非平凡的应用示例，说明经典控制逻辑与量子线路执行必须并行协调。
• 定义统一运行时环境的角色，该环境协调两种协调层，同时保持量子叠加态和相干性。
• 利用现有工作流和协调技术（例如，BPMN、工作流引擎）处理经典组件，同时采用量子专用执行模型处理量子线路。
• 强调需要一种支持经典与量子逻辑在叠加态中动态组合与协调的软件架构。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在混合量子应用中有效协调经典组件与量子组件？
• RQ2 需要何种架构模式来支持经典工作流协调与量子线路协调的共存？
• RQ3 如何使两种协调层在叠加态中运行，以实现动态、可组合的量子应用？
• RQ4 支持双协调的运行时环境的关键组件和接口是什么？
• RQ5 双协调对可扩展量子软件的设计与执行有何影响？

主要发现

• 混合量子应用需要两个不同的协调层：一个用于经典控制与数据流，另一个用于量子线路执行。
• 经典协调与量子协调必须在叠加态中运行，才能实现动态、可组合且可扩展的量子应用。
• 所提出的双协调模型通过统一的运行时环境，实现了经典工作流与量子线路的无缝集成。
• 一个非平凡的示例表明，两种协调层对于管理混合应用中的复杂数据拓扑结构和控制逻辑都是必要的。
• 该架构表明，量子应用不仅关乎量子算法，更关乎以协调且具备叠加态感知能力的方式编排经典与量子组件。
• 本文为未来支持生产级量子软件工程的工具和框架奠定了基础，其核心是双协调模式。