[论文解读] A Serverless Cloud Integration For Quantum Computing

Michele Grossi, Luca Crippa+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 16被引用 15

一句话总结

本文提出了一种无服务器云架构，通过使用 IBM Cloud 服务的可配置事件驱动框架，将量子计算集成到企业软件系统中。该架构支持异步作业提交、调度和结果检索，采用解耦的微服务流水线，展示了具备可重用、开源组件的生产就绪型最小可行产品（MVP），适用于混合经典-量子应用。

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.

研究动机与目标

• 解决将量子计算 API 集成到现有企业软件架构中时面临的可扩展性和可重用性挑战。
• 设计一种生产就绪的、基于配置的系统，支持异步量子作业提交和结果检索。
• 降低开发者和终端用户部署混合经典-量子 Web 应用的复杂性。
• 利用 Apache Kafka 等流媒体技术，实现对量子计算结果的实时事件驱动处理。
• 提供一个最小可行产品（MVP），展示与 IBM Quantum 及云原生技术的端到端集成。

提出的方法

• 该系统采用基于无服务器和微服务的架构，托管于 IBM Cloud，利用 Cloud Functions、Event Streams 和 Cloudant 实现状态管理。
• 前端界面允许用户无需低级别编码即可选择并执行量子应用。
• 通过 Qiskit SDK 和由 QuantumUtils 组件管理的 API 密钥认证，将作业提交至 IBM Quantum。
• 基于轮询的工作者服务（PollingIBMQ）监控量子后端上的作业状态，具备智能队列和预计完成时间跟踪功能。
• Event Streams（基于 Apache Kafka）实现基于发布/订阅的实时通知，支持用户专属主题分配，确保消息隔离。
• 该系统实施基于优先级的调度策略，通过优先处理预计完成时间较短的作业，减少用户等待时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何以可扩展且可重用的方式，将量子计算有效集成到现有企业软件架构中？
• RQ2 哪些架构模式能够实现对量子计算工作负载的高效异步作业提交和结果检索？
• RQ3 如何利用事件驱动的无服务器计算来管理生产环境中量子作业的状态和生命周期？
• RQ4 基于配置的、松散耦合的组件在提升量子集成系统可扩展性和可维护性方面发挥什么作用？
• RQ5 如何通过将低级别量子执行细节抽象为高层可重用框架，改善用户体验？

主要发现

• 所提出的框架成功通过在 IBM Cloud 上部署的生产就绪型开源 MVP，实现了对量子作业的端到端管理。
• 采用基于 Apache Kafka 的 Event Streams 实现事件驱动架构，确保了对作业完成情况的实时、可扩展通知，同时实现用户专属的消息路由。
• 基于轮询的作业监控组件能够根据预计完成时间智能优先处理作业，减少用户等待时间并提升系统响应能力。
• 该系统表明，无服务器和微服务模式在企业环境中对编排混合经典-量子工作负载具有可行性。
• 该框架具备可扩展性，可适配除 IBM Quantum 外的其他量子 API，同时保持其核心设计原则——模块化与松散耦合。
• 该解决方案提供清晰的抽象层，使开发者和研究人员无需深入掌握量子硬件或低级别 API 交互，即可构建量子增强型应用。