[论文解读] Quantum Cloud Computing: A Review, Open Problems, and Future Directions

Hoa T. Nguyen, Prabhakar Krishnan+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2024

Cloud Computing and Resource Management被引用 13

一句话总结

本文对量子云计算（QCC）进行了全面综述，涵盖模型、平台、应用、资源管理、安全性以及开放研究方向。

ABSTRACT

Quantum cloud computing is an emerging paradigm of computing that empowers quantum applications and their deployment on quantum computing resources without the need for a specialized environment to host and operate physical quantum computers. This paper reviews recent advances, identifies open problems, and proposes future directions in quantum cloud computing. It discusses the state-of-the-art quantum cloud advances, including the various cloud-based models, platforms, and recently developed technologies and software use cases. Furthermore, it discusses different aspects of the quantum cloud, including resource management, quantum serverless, security, and privacy problems. Finally, the paper examines open problems and proposes the future directions of quantum cloud computing, including potential opportunities and ongoing research in this emerging field.

研究动机与目标

• 通过强调托管专用量子硬件所面临的挑战，激发对量子云计算的需求。
• 综述最前沿的QCC模型、平台与软件生态系统，以及它们与经典云计算范式的关系。
• 识别诸如量子无服务器（quantum serverless）和分布式量子计算等新兴概念。
• 审查特定于QCC的安全性、隐私和资源管理方面的关注点。
• 提出未来方向和待解决的开放问题，以指导量子云计算中的研究。

提出的方法

• 将现有关于QCC的文献综合整理为五个主题领域：计算模型、软件用例、提供商与平台、资源管理，以及安全/隐私。
• 将量子云概念与经典云计算模型进行比较，以建立关系与差异。
• 总结量子云服务、中间件和用于混合量子-经典工作流的编排的发展。
• 讨论量子云安全与隐私方面的开放问题，并提出潜在的研究方向。
• 强调早期实验部署和显著的行业努力（如 IBM Quantum、AWS、Azure）以为实际进展提供背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 在量子云计算中当前使用的计算模型与架构范式有哪些（例如混合量子-经典、量子无服务器）？
• RQ2 存取量子云资源的平台、提供商和软件生态系统有哪些？它们之间的对比如何？
• RQ3 在量子云计算中独特的资源管理、安全与隐私挑战有哪些？
• RQ4 为推动QCC走向实际、可扩展部署，识别了哪些开放问题与未来方向？

主要发现

• 量子云计算通过云平台实现对量子资源的远程访问，从而实现混合量子-经典工作流。
• 主要提供商（IBM、AWS、Azure）向公众提供量子服务和模拟器，采用率日益增长。
• 开放问题涵盖资源管理、安全/隐私、与量子互联网的集成，以及考虑到NISQ硬件的可靠性。
• 混合模型与量子无服务器概念正成为迈向可扩展QCC的实际步骤。
• 托管在云端的量子模拟器在当前硬件噪声和量子比特数量有限的情况下发挥着关键作用。
• 针对NISQ设备的性能指标包括规模（量子比特数）、质量（量子体积）和速度（吞吐量），作为互补基准。