Integrazione del calcolo quantistico con app classiche

Alcuni problemi di calcolo sono poco pratici o intrattibili da risolvere nei computer classici, anche su supercomputer di grandi dimensioni. Per alcuni di questi problemi, un algoritmo quantistico può raggiungere una soluzione usando molto meno risorse rispetto all'approccio classico più noto. Un computer quantistico usa effetti quantistici meccanici, ad esempio la sovrapposizione e l'entanglement, per rappresentare ed elaborare le informazioni in modi in cui un computer classico non può.

I programmi quantistici vengono eseguiti su provider quantistici a cui si accede inviando job. Le destinazioni quantistiche espongono diversi profili di destinazione. Alcuni profili consentono solo operazioni quantistica e la logica classica che è possibile eseguire su di esse è limitata. Altri profili consentono l'esecuzione di operazioni quantistica e classica nel provider.

Indipendentemente dal profilo di destinazione, i componenti di calcolo classici gestiscono l'integrazione dell'applicazione circostante. Anche quando un target quantistico accetta operazioni classiche, si accede al target inviando un job e attendendo i risultati. Questo articolo descrive e confronta due modelli di orchestrazione per l'integrazione del lavoro quantistico con le applicazioni classiche.

In pratica, l'esecuzione di un programma quantistico è una chiamata al servizio. L'applicazione classica o il codice client invia un processo a una destinazione, attende che venga eseguito e recupera i risultati. Uno o più componenti di calcolo classici orchestrano ogni processo quantistico eseguendo le attività seguenti:

• Preparazione dei dati di input
• Invio di processi di calcolo quantistico a un ambiente quantistico di destinazione
• Monitoraggio dell'esecuzione del processo
• Post-elaborazione dei risultati del processo

Modelli di integrazione quantistica

È possibile integrare il lavoro quantistico con un'applicazione classica usando uno dei due modelli di orchestrazione:

• Integrazione quantistica diretta. Un'applicazione client o un cablaggio classico leggero interagisce direttamente con l'area di lavoro Azure Quantum. Il cliente gestisce la preparazione dell'input, l'invio dei job, il monitoraggio, la gestione dei risultati e la logica classica che accompagna l'esecuzione quantistica.

• Integrazione quantistica orchestrata dal flusso di lavoro. Un agente di orchestrazione del flusso di lavoro è proprietario dello stato complessivo e delle transizioni. L'esecuzione quantistica ha luogo nelle fasi del flusso di lavoro che vengono eseguite insieme a fasi eseguite su sistemi di calcolo ad alte prestazioni (HPC) o su GPU.

Per un determinato limite di integrazione dell'applicazione, questi modelli sono alternative. Il client si integra direttamente con l'area di lavoro o un flusso di lavoro più ampio è proprietario del passaggio quantistico. Questo articolo descrive l'implementazione di ogni modello.

La scelta di integrazione è indipendente dalla posizione in cui viene eseguito il calcolo classico. A seconda del profilo di destinazione e del carico di lavoro, la logica classica può essere eseguita all'interno del programma quantistico, nel client harness tra le esecuzioni quantistiche, nell'agente di orchestrazione del flusso di lavoro o in un passaggio del flusso di lavoro classico su HPC o calcolo GPU.

Matrice decisionale

Usare la matrice decisionale seguente per guidare la scelta dei modelli di integrazione:

Se il carico di lavoro presenta queste caratteristiche	Usare questo approccio
Una singola applicazione o un framework leggero gestisce l'intero ciclo di vita del job quantistico e la preparazione degli input e l'elaborazione dei risultati rientrano nel client stesso.	Integrazione quantistica diretta
Si esplorano le proprietà dell'hardware quantistico con codice quantistico scritto a mano e un'applicazione o un piccolo set di applicazioni correlate usa i risultati.	Integrazione quantistica diretta
Il lato classico è pesante e utilizza il calcolo quantistico come una fase tra molte, in una pipeline multifase le cui fasi vengono ciascuna eseguite sul backend più adatto, ad esempio HPC, GPU o un target quantistico.	Integrazione quantistica orchestrata dal flusso di lavoro
Le esecuzioni quantistiche si ripetono e il risultato di un'esecuzione genera il programma quantistico successivo o ne determina i parametri.	Integrazione quantistica orchestrata dal flusso di lavoro

Dettagli dello scenario

Entrambi i flussi di lavoro implementano il modello asincrono Request-Reply e i passaggi definiti per il ciclo di vita del processo Azure Quantum.

Le destinazioni quantistiche, in particolare l'hardware quantistico, sono risorse limitate. Azure Quantum alloca queste risorse tramite una coda di processi. Quando si invia un'attività, questa entra nella coda della destinazione selezionata e viene eseguita dopo che tale destinazione ha completato gli elementi precedenti. Per visualizzare il tempo di attesa previsto, elencare le destinazioni disponibili. Calcola il tempo di risposta totale come somma del tempo di attesa nella coda e del tempo di esecuzione del processo.

Anche le capacità di un target quantistico variano. Alcune destinazioni accettano solo operazioni quantistiche, mentre altre eseguono la logica classica insieme a operazioni quantistiche in un unico processo. Questo modello supporta algoritmi che si adattano durante l'esecuzione. Prima di eseguire il commit in una destinazione, verificare che supporti le operazioni necessarie per l'algoritmo. Per altre informazioni sull'esecuzione congiunta delle istruzioni classiche e quantistiche, vedere Introduzione al calcolo quantistico ibrido.

Integrazione quantistica diretta

Le sezioni seguenti descrivono il modello di integrazione diretta per l'integrazione quantistica con un'applicazione classica.

Architettura

Scaricare un file PowerPoint di questa architettura.

Flusso di dati

Il flusso di dati seguente corrisponde al diagramma precedente:

1. Un utente connesso attiva l'esecuzione del processo quantistico tramite un'applicazione client classica.

2. L'applicazione client inserisce i dati in Archiviazione di Azure.

3. L'applicazione client invia il processo a un'area di lavoro Azure Quantum, specificando la destinazione o le destinazioni di esecuzione.

   Il client identifica l'area di lavoro dalla configurazione ed esegue l'autenticazione all'area di lavoro usando un'identità Microsoft Entra. Un client in esecuzione in una risorsa ospitata Azure può usare un'identità gestita. Un'applicazione client locale esegue l'autenticazione con un'altra identità Microsoft Entra, ad esempio un'entità servizio o un accesso utente interattivo.

4. Un provider quantistico esegue il processo in un ambiente di destinazione.

5. L'applicazione client monitora l'esecuzione del processo eseguendo il polling dello stato del processo.

6. Quando l'elaborazione quantistica termina, l'applicazione client ottiene il risultato di calcolo dalla memoria.

Componenti

• Azure Quantum fornisce un workspace, accessibile dal portale di Azure, per gli asset associati all'esecuzione di processi quantistici su varie destinazioni. I processi vengono eseguiti su simulatori quantistici o hardware quantistico, a seconda del provider scelto.
• Microsoft Entra ID coordina l'autenticazione utente e consente di proteggere l'accesso all'area di lavoro Azure Quantum.
• L'archiviazione fornisce spazio di archiviazione per i dati di input e i risultati del provider quantistico.

Casi d'uso potenziali di integrazione diretta

Il modello di integrazione quantistica diretta si adatta ai casi d'uso seguenti:

• Un'applicazione client o un'interfaccia classica leggera è proprietaria del ciclo di vita completo del processo quantistico senza un flusso di lavoro più ampio.
• Il client può eseguire il lavoro classico, ad esempio la preparazione dell'input e l'elaborazione dei risultati.
• Si esplorano le proprietà dell'hardware quantistico, quindi in genere si riscrive il codice quantistico anziché generarlo in modo dinamico.
• L'uso dei componenti quantistici è limitato a una singola applicazione o a un piccolo set di applicazioni correlate.
• L'attività quantistica rappresenta una soluzione specializzata, come una simulazione molecolare, che viene utilizzata solo da una specifica applicazione classica specializzata.

Integrazione quantistica orchestrata dal flusso di lavoro

Le sezioni seguenti descrivono il modello orchestrato dal flusso di lavoro per l'integrazione del lavoro quantistico con un'applicazione classica.

Architettura

La logica del flusso di lavoro non dipende da alcun host o provider specifico. Il diagramma di flusso seguente illustra la macchina a stati: un unico input, un ciclo dei passaggi e le fasi di ciascun passaggio. Il ramo quantistico può includere una fase facoltativa di generazione e ottimizzazione del programma che i passaggi classici non usano.

Il selettore back-end nel diagramma di flusso precedente è una fase logica anziché un componente obbligatorio e può essere una ricerca di configurazione che indirizza ogni passaggio a un tipo back-end fisso.

È possibile ospitare questo flusso di lavoro in Azure con un set di servizi classici che inviano e monitorano il lavoro quantistico. Il diagramma seguente illustra una topologia di esempio:

Scaricare un file PowerPoint di questa architettura.

Flusso di dati

Il flusso di dati seguente corrisponde alla topologia di distribuzione:

1. Un'applicazione client invia una richiesta tramite Gestione API, che autentica il chiamante con Microsoft Entra ID e applica la limitazione prima che la richiesta raggiunga il livello di calcolo.
2. Gestione API inoltra la richiesta all'API di input, una funzione attivata da HTTP che la convalida e avvia l'agente di orchestrazione del flusso di lavoro.
3. Per un passaggio eseguito in modo classico, l'agente di orchestrazione instrada l'esecuzione a un back-end classico, ad esempio un cluster HPC o un calcolo GPU.
4. Il back-end classico scrive i risultati e lo stato aggiornato della pipeline nello Storage.
5. Per una fase che viene eseguita su quantum, l’orchestratore instrada l’esecuzione lungo il percorso quantistico. Il percorso quantistico prepara il programma del passaggio, lo genera e lo ottimizza dall'input del passaggio o usa un'implementazione fissa e invia il processo all'area di lavoro Azure Quantum. L'invio si autentica tramite identità gestita.
6. Il workspace esegue il job sul target quantistico selezionato.
7. Il target quantistico scrive i propri risultati nell'archiviazione.
8. L'orchestratore legge lo stato aggiornato di Storage e valuta la logica di transizione della pipeline. Se una condizione di convergenza o iterazione richiede un'altra esecuzione quantistica, l'agente di orchestrazione usa il risultato per determinare i parametri per il programma quantistico successivo o per fornire input che generano il programma successivo. La pipeline torna quindi alla fase appropriata.
9. Il client esegue il polling dell'API stato tramite Gestione API per tenere traccia dello stato di avanzamento e recuperare i risultati finali quando la pipeline raggiunge uno stato terminale.

Componenti

• Durable Functions funge da agente di orchestrazione del flusso di lavoro per eseguire la pipeline come macchina a stati, coordinare i passaggi e selezionare il back-end quantistico o altro tipo di calcolo per l'esecuzione di ogni passaggio. È possibile implementare l'agente di orchestrazione con Durable Functions o un altro motore del flusso di lavoro.
• I back-end Azure per il calcolo classico HPC e GPU eseguono i passaggi non quantistici.
• Funzioni di Azure ospita le API HTTP che avviano e monitorano il flusso di lavoro, insieme all'agente di orchestrazione che lo esegue.
• Gestione API è il punto di ingresso per le richieste client. Autentica i chiamanti e applica la limitazione della frequenza. Per impedire che l'app per le funzioni venga chiamata direttamente, usare Funzioni di Azure opzioni di rete, ad esempio restrizioni di accesso in ingresso o un endpoint privato, in modo che accetti il traffico solo da Gestione API.
• Azure Quantum fornisce un'area di lavoro per gli asset associati all'esecuzione di processi quantistici. I processi vengono eseguiti su simulatori quantistici o su hardware quantistico, in base alla destinazione scelta.
• Microsoft Entra ID coordina l'autenticazione e consente di proteggere l'accesso all'area di lavoro Azure Quantum.
• Archiviazione memorizza i dati di input, lo stato intermedio della pipeline e i risultati.

Alternative

Le architetture descritte in questo articolo eseguono parte di un'attività di elaborazione su un target quantistico. Per alcune sfide di calcolo, i servizi esistenti creati per eseguire l'elaborazione ad alte prestazioni o fornire funzionalità di intelligenza artificiale potrebbero essere alternative.

Per i carichi di lavoro di ricerca e sviluppo scientifici, Microsoft Discovery usa l'intelligenza artificiale per orchestrare attività complesse tra modelli, strumenti e risorse di calcolo. Microsoft Discovery può coordinare vari strumenti in pipeline multifase ed è estendibile, così puoi collegare i tuoi strumenti e agenti invece di creare e gestire autonomamente l’orchestrazione. L'integrazione con le funzionalità quantistiche, inclusa l'esecuzione di passaggi quantistici, potrebbe usare l'intelligenza artificiale per eseguire l'orchestrazione che questo modello compila a mano.

Dettagli dello scenario orchestrato dal flusso di lavoro

In questo schema, un orchestratore del flusso di lavoro esegue il carico di lavoro come una pipeline di passaggi. L’orchestratore si comporta come una macchina a stati, in cui i passaggi si ripetono e si susseguono ciclicamente finché non viene soddisfatta una condizione di terminazione o di convergenza. Ogni passaggio segue la stessa forma: prepara l'input, esegue ed elabora l'output.

L'orchestratore seleziona il backend che esegue ogni passaggio. Questa selezione fa parte della logica di orchestrazione, non di un servizio separato e può essere semplice come leggere il back-end di destinazione per ogni passaggio dalla configurazione. Un passaggio viene eseguito su un back-end quantistico o su un calcolo classico, ad esempio un cluster HPC o un calcolo GPU. Un passaggio classico leggero può essere eseguito nell'orchestratore stesso. Quando si ripetono i passaggi quantistici, il flusso di lavoro elabora il risultato di un'esecuzione quantistica per determinare i parametri per il programma quantistico successivo o per fornire input che generano il programma successivo.

Un passaggio eseguito su un back-end quantistico può aggiungere una fase che i passaggi classici non hanno. Questa fase genera e ottimizza il programma quantistico prima dell'esecuzione. Questa fase è facoltativa. Il programma può generare dinamicamente dall'input del passaggio oppure può provenire da un'implementazione fissa che ignora questa fase. Un passaggio adatto al calcolo quantistico potrebbe comunque essere eseguito su un back-end classico se questo si adatta meglio ai dati di input.

La chimica quantistica è un esempio rappresentativo. Una pipeline tipica usa i passaggi classici per preparare un sistema molecolare: Ottimizzazione della geometria, calcolo del campo auto-coerente e selezione dello spazio attivo. La pipeline calcola quindi una proprietà target, ad esempio l'energia dello stato fondamentale di una molecola. Il passaggio di calcolo dell'energia mantiene la stessa finalità, indipendentemente dal fatto che venga eseguita su un'approssimazione classica o su un algoritmo quantistico. Si sceglie il back-end in base all'accuratezza necessaria e alle dimensioni del problema.

La libreria QDK/Chemistry supporta pipeline come queste. La libreria fornisce componenti modulari per i passaggi di preparazione classici e per la generazione di un circuito di preparazione dello stato dalla funzione d'onda calcolata classica, che un back-end quantistico usa quindi per stimare l'energia con un algoritmo come la stima della fase quantistica. Questa funzionalità di generazione di circuiti è un esempio concreto della generazione dinamica del programma quantistico a partire dall'input di una fase.

Casi d'uso potenziali

Il modello di integrazione quantistica orchestrata dal flusso di lavoro si adatta a questi casi d'uso:

• Il lato classico è pesante ed è orientato alla logica degli stati del problema, e sfrutta la capacità quantistica come uno o più passaggi tra i molti.
• Il carico di lavoro è una pipeline a più fasi che è spesso iterativa, ad esempio una macchina a stati. Ogni fase viene eseguita sul back-end di calcolo più adatto: HPC, GPU o una destinazione quantistica. Il calcolo quantistico è un'opzione per una o più fasi.
• Un passaggio quantistico rappresenta un blocco predefinito ben definito, ad esempio un calcolo scientifico che calcola una proprietà molecolare. Il codice quantistico preciso potrebbe anche essere generato e ottimizzato dinamicamente per adattare gli input effettivi.
• L'agente di orchestrazione del flusso di lavoro possiede più esecuzioni quantistiche autonome e l'elaborazione classica tra di esse. Il risultato di un'esecuzione determina i parametri per il programma quantistico successivo o fornisce input che generano il programma successivo. La stima iterativa della fase rientra in questa struttura, così come gli algoritmi variazionali quali il Variational Quantum Eigensolver (VQE) e il Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA).

Considerazioni

Queste considerazioni implementano i pilastri di Azure Well-Architected Framework, che è un set di principi guida che possono essere usati per migliorare la qualità di un carico di lavoro. Per altre informazioni, vedere Well-Architected Framework.

Affidabilità

L'affidabilità garantisce che l'applicazione possa soddisfare gli impegni assunti dai clienti. Per maggiori informazioni, consultare la sezione Elenco di controllo per la revisione della progettazione per l'affidabilità.

I processi quantistici vengono eseguiti su target remoti e condivisi, pertanto l'esecuzione del processo può non riuscire a causa di errori transitori, ad esempio un timeout del target. Indipendentemente dal modello di integrazione scelto, monitorare l'esecuzione del processo in modo che sia possibile visualizzare lo stato del processo all'utente. Quando un processo non riesce a causa di un errore transitorio, applicare il modello di ripetizione. Invia i job tramite chiamate asincrone e verifica il risultato tramite polling in modo da non bloccare il client chiamante.

La disponibilità della funzionalità di calcolo quantistico dipende in modo elevato dalle caratteristiche di disponibilità e capacità del provider di calcolo quantistico. A seconda della destinazione di calcolo, l'applicazione client classica potrebbe riscontrare ritardi lunghi o indisponibilità della destinazione.

Per i servizi di Azure circostanti, si applicano le normali considerazioni sulla disponibilità. Se necessario, valutare l'uso delle opzioni di replica disponibili in ridondanza di Archiviazione di Azure.

Affidabilità per l'integrazione orchestrata dal flusso di lavoro

• Per la disponibilità elevata nell'integrazione orchestrata dal flusso di lavoro, distribuire Gestione API tra zone di disponibilità o più aree. La ridondanza della zona richiede il livello Premium o Premium v2 e la distribuzione di più aree richiede il livello Premium.

• Se implementate l'orchestratore con Durable Functions, pianificatene il ripristino di emergenza come un'unità anziché considerare l'app per funzioni e il relativo stato come servizi indipendenti. Le Funzioni Durable mantengono in modo persistente l'intero stato di orchestrazione in un task hub in un back-end di archiviazione, che per impostazione predefinita è Archiviazione di Azure. Poiché lo stato di esecuzione e le risorse di calcolo sono accoppiati tramite tale hub di attività, il provisioning dell'app per funzioni in una seconda area geografica e la replica separata dell'archiviazione non garantiscono un failover sicuro. Le orchestrazioni possono mettersi in pausa, perdere transazioni recenti o leggere un task hub interregionale, a seconda della topologia.

  Per un failover sicuro, usa una configurazione attiva-passiva che prevede il failover verso un'area secondaria, gestita da un servizio di bilanciamento del carico globale come Frontdoor di Azure o Gestione traffico di Azure. Verifica che le probe di stato del servizio possano raggiungere l'app per funzioni con le restrizioni di rete in uso, perché gli stessi controlli che limitano l'app al traffico di API Management possono anche bloccare queste probe. Scegliere la topologia corrispondente alla tolleranza per la perdita di dati e la latenza tra aree. Per le opzioni coordinate e i relativi compromessi, vedere Ripristino di emergenza e distribuzione geografica in Durable Functions.

Sicurezza

La sicurezza offre garanzie contro attacchi intenzionali e l'uso improprio dei dati e dei sistemi preziosi. Per maggiori informazioni, consultare la sezione Elenco di controllo per la revisione della progettazione per la sicurezza.

Applicare le procedure di protezione avanzata seguenti ai servizi classici che racchiudono il processo quantistico, indipendentemente dal modello di integrazione scelto:

• Eseguire l'autenticazione per Azure Quantum e i servizi circostanti usando le identità Microsoft Entra e disattivare l'autenticazione locale in cui il servizio lo supporta. Usare identità gestite ovunque l'ambiente di hosting le supporti. Per un client che non può usare un'identità gestita, eseguire l'autenticazione con un'altra identità Microsoft Entra, ad esempio un'entità servizio o un accesso utente interattivo.

• Concedi a ogni componente che accede all'archiviazione l'accesso al piano dati necessario tramite il controllo degli accessi in base al ruolo di Azure (Azure RBAC) con Microsoft Entra ID, con ambito limitato a tale componente. Non incorporare le chiavi dell'account di archiviazione nel codice dell'applicazione.

In generale, applica le raccomandazioni di sicurezza del Well-Architected Framework quando opportuno.

Sicurezza per l'integrazione quantistica diretta

A differenza dell'integrazione quantistica orchestrata dal flusso di lavoro, questo modello presuppone che un singolo client accesa all'area di lavoro Azure Quantum. Il client è in genere un framework classico e leggero che si concentra sull'invio e sull'esecuzione dei job piuttosto che sullo stato generale del flusso di lavoro. Questo scenario comporta le configurazioni seguenti:

• Poiché il client è noto, è possibile assegnargli un'identità fissa. Quando il client viene eseguito in una risorsa ospitata in Azure, associare un'identità gestita. Quando il client viene eseguito all'esterno di Azure, usare un'entità servizio o un accesso utente interattivo.

• È possibile implementare la limitazione delle richieste e la memorizzazione nella cache dei risultati nel client stesso.

Sicurezza per l'integrazione orchestrata dal flusso di lavoro

A differenza dell'integrazione quantistica diretta, questo modello inserisce un livello di servizio classico davanti al lavoro quantistico. La gestione delle API è il punto di accesso di tale livello, quindi le configurazioni di sicurezza si concentrano sulla protezione del punto di ingresso e del percorso verso l'area di lavoro quantistica.

• I client devono eseguire l'autenticazione all'API. Implementare questa autenticazione usando i criteri di autenticazione.

• È possibile implementare l'autenticazione delle funzioni di Azure tramite identità gestite associate alle funzioni. Queste identità vengono usate per autenticare le chiamate in uscita all'area di lavoro Azure Quantum.

• La gestione delle API può applicare la limitazione delle richieste per proteggere il back-end quantistico e limitare l'uso delle risorse quantistiche. Per altre informazioni, vedere Limitazione delle richieste di Gestione API.

• A seconda del modello di richiesta, è possibile implementare la memorizzazione nella cache dei risultati del calcolo quantistico usando i criteri di memorizzazione nella cache di Gestione API .

Ottimizzazione costi

L'ottimizzazione dei costi è incentrata sui modi per ridurre le spese non necessarie e migliorare l'efficienza operativa. Per altre informazioni, vedere Elenco di controllo per la revisione della progettazione per l'ottimizzazione dei costi.

Il costo complessivo di questa soluzione dipende dalla destinazione di calcolo quantistico selezionata per eseguire il processo quantistico. I componenti classici sono semplici da stimare. Per una distribuzione rappresentativa del modello orchestrato dal flusso di lavoro, vedere questa stima dei costi di esempio, che copre i componenti classici, tra cui Gestione API, Funzioni di Azure e Archiviazione. Il modello di integrazione diretta è più leggero, ma i costi classici includono ancora Archiviazione e qualsiasi hosting, rete e monitoraggio usato dall'applicazione client.

È possibile usare provider di calcolo quantistico per Azure Quantum tramite un'offerta Microsoft Marketplace. I prezzi dipendono dal tipo di risorsa (simulatore o hardware), dallo SKU e dall'utilizzo. Per altre informazioni, accedi alla pagina di riferimento del provider del tuo scenario in Provider di calcolo quantistico in Azure Quantum.

Contributori

Microsoft gestisce questo articolo. Il collaboratore seguente ha scritto questo articolo.

Autore principale:

• Zander Chocron | Principal Software Engineer, Microsoft Quantum

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Passaggi successivi

• Per una panoramica dell'ecosistema di calcolo quantistico di Microsoft, vedere il sito Web di Microsoft Quantum e completare il percorso di apprendimento Quantum computing foundations.
• Per altre informazioni sul servizio Azure Quantum, vedere Che cos'è Azure Quantum?.
• Per informazioni generali sulla gestione dei processi Azure Quantum, vedere Work with Azure Quantum jobs.
• Per informazioni sulla combinazione di istruzioni classiche e quantistiche in un processo, vedere Introduzione al calcolo quantistico ibrido.

Risorse correlate

• Principi di progettazione per l'eccellenza operativa
• Schema di Request-Reply Asincrono