Integrering av kvantberäkning med klassiska appar

Vissa beräkningsproblem är opraktiska eller svårlösta att lösa på klassiska datorer, även på stora superdatorer. För vissa av dessa problem kan en kvantalgoritm nå en lösning med mycket färre resurser än den mest kända klassiska metoden. En kvantdator använder kvantmekaniska effekter, till exempel superposition och sammanflätning, för att representera och bearbeta information på sätt som en klassisk dator inte kan.

Kvantprogram körs på kvantleverantörer som du får åtkomst till genom att skicka in jobb. Kvantmål exponerar olika målprofiler. Vissa profiler tillåter endast kvantåtgärder, och den klassiska logiken som du kan köra på dem är begränsad. Med andra profiler kan både kvantåtgärder och klassiska åtgärder köras tillsammans på providern.

Oavsett målprofil hanterar klassiska beräkningskomponenter den omgivande programintegrering. Även när ett kvantmål accepterar klassiska åtgärder når du målet genom att skicka ett jobb och vänta på resultatet. Den här artikeln beskriver och jämför två orkestreringsmodeller för integrering av kvantarbete med klassiska program.

I praktiken är det ett tjänstanrop att köra ett kvantprogram. Din klassiska program- eller klientkod skickar ett jobb till ett mål, väntar på att det ska köras och hämtar resultatet. En eller flera klassiska beräkningskomponenter samordnar varje kvantjobb genom att utföra följande aktiviteter:

• Förbereda indata
• Skicka kvantberäknings-jobb till en målkvantmiljö
• Övervaka jobbkörning
• Jobbresultat efter bearbetning

Kvantintegreringsmodeller

Du integrerar kvantarbete med ett klassiskt program med något av två orkestreringsmönster:

• Direkt kvantintegrering. En klientapplikation eller ett lättviktigt klassiskt testharnesk kommunicerar direkt med Azure Quantum-arbetsytan. Kunden ansvarar för förberedelse av indata, inskickning av jobb, övervakning, resultathantering och den klassiska logiken som omger kvantexekveringen.

• Arbetsflödesorkestrerad kvantintegrering. En arbetsflödesorkestrerare äger det övergripande tillståndet och övergångarna. Kvantexekvering sker i arbetsflödessteg som körs parallellt med steg som körs på HPC- eller GPU-resurser.

För en viss programintegreringsgräns är dessa mönster alternativ. Antingen integrerar klienten direkt med arbetsytan, eller så ansvarar ett bredare arbetsflöde för kvantsteget. I den här artikeln beskrivs implementeringen av varje mönster.

Integreringsvalet är oberoende av var den klassiska beräkningen körs. Beroende på målprofilen och arbetsbelastningen kan klassisk logik köras i kvantprogrammet, i klientselen mellan kvantkörningar, i arbetsflödesorkestratorn eller i ett klassiskt arbetsflödessteg på HPC- eller GPU-beräkning.

Beslutsmatris

Använd följande beslutsmatris för att vägleda ditt val av integrationsmönster:

Om din arbetsbelastning har dessa egenskaper	Använd den här metoden
Ett program eller ett lättviktigt ramverk hanterar hela livscykeln för ett kvantjobb, och indataförberedelse och resultatbearbetning ryms inom den klienten.	Direkt kvantintegrering
Du utforskar egenskaperna för kvantmaskinvara med handskriven kvantkod, och ett program eller en liten uppsättning relaterade program förbrukar resultatet.	Direkt kvantintegrering
Den klassiska sidan är resurskrävande och använder kvantberäkning som ett steg bland många i en pipeline i flera steg, där varje steg körs på den backend som lämpar sig bäst för det, till exempel HPC, GPU eller en kvantdator.	Arbetsflödesorkestrerad kvantintegrering
Kvantkörningar upprepas och resultatet av en körning genererar nästa kvantprogram eller bestämmer dess parametrar.	Arbetsflödesorkestrerad kvantintegrering

Scenarioinformation

Båda arbetsflödena implementerar det asynkrona Request-Reply-mönstret och de steg som definierats för Azure Quantum jobblivscykel.

Kvantmål, särskilt kvantmaskinvara, är begränsade resurser. Azure Quantum allokerar dessa resurser via en jobbkö. När du skickar ett jobb hamnar det i kön för det mål som du väljer och körs när målet har slutfört de tidigare posterna. Om du vill se den förväntade väntetiden listar du de tillgängliga målen. Beräkna din totala svarstid som summan av köväntetiden och jobbkörningstiden.

Förmågorna hos ett kvantmål varierar också. Vissa mål accepterar endast kvantåtgärder, medan andra kör klassisk logik med kvantåtgärder i ett enda jobb. Den här modellen stöder algoritmer som anpassas under körningen. Innan du bestämmer dig för ett mål bör du kontrollera att det stöder de operationer som din algoritm behöver. Mer information om hur klassiska instruktioner och kvantinstruktioner körs tillsammans finns i Introduktion till hybridberäkning av kvantberäkning.

Direkt kvantintegrering

I följande avsnitt beskrivs direktintegreringsmodellen för integrering av kvantarbete med ett klassiskt program.

Arkitektur

Ladda ned en PowerPoint fil i den här arkitekturen.

Dataflöde

Följande dataflöde motsvarar föregående diagram:

1. En inloggad användare utlöser kvantjobbkörning via ett klassiskt klientprogram.

2. Klientprogrammet skriver data till Azure Storage.

3. Klientprogrammet skickar jobbet till en Azure Quantum-arbetsyta och anger exekveringsmål eller mål.

   Klienten identifierar arbetsytan från konfigurationen och autentiserar till arbetsytan med hjälp av en Microsoft Entra identitet. En klient som körs på en Azure värdbaserad resurs kan använda en hanterad identitet. Ett lokalt klientprogram autentiserar med en annan Microsoft Entra identitet, till exempel ett tjänsthuvudnamn eller en interaktiv användarinloggning.

4. En kvantprovider kör jobbet i en målmiljö.

5. Klientprogrammet övervakar jobbkörningen genom att hämta jobbstatus.

6. Så snart kvantjobbet är klart hämtar klientprogrammet beräkningsresultatet från Storage.

Komponenter

• Azure Quantum tillhandahåller en arbetsyta, tillgänglig från Azure-portalen, för tillgångar som är associerade med att köra kvantjobb på olika mål. Jobb körs på kvantsimulatorer eller kvantmaskinvara, beroende på vilken leverantör du väljer.
• Microsoft Entra ID samordnar användarautentisering och skyddar åtkomsten till Azure Quantum arbetsytan.
• Storage tillhandahåller lagring för indata och resultat från kvantprovidern.

Potentiella användningsfall för direkt integration

Mönstret för direkt kvantintegrering passar följande användningsfall:

• Ett klientprogram eller ett lättviktigt klassiskt styrprogram ansvarar för hela kvantjobbets livscykel utan något övergripande arbetsflöde.
• Klienten kan köra omgivande klassiskt arbete, till exempel förberedelse av indata och resultatbearbetning.
• Du utforskar egenskaperna för kvantmaskinvara, så att du vanligtvis skriver om kvantkoden i stället för att generera den dynamiskt.
• Användningen av kvantkomponenterna är begränsad till ett enda program eller en liten uppsättning relaterade program.
• Kvantjobbet representerar en specialiserad lösning, till exempel en molekylär simulering, som endast ett specialiserat klassiskt program använder.

Arbetsflödesorkestrerad kvantintegrering

I följande avsnitt beskrivs den arbetsflödesorkestrerade modellen för integrering av kvantarbete med ett klassiskt program.

Arkitektur

Arbetsflödeslogik är inte beroende av någon specifik värd eller provider. Följande flödesschema visar tillståndsdatorn: en enda indata, en loop över stegen och faserna per steg. Kvantgrenen kan innehålla en valfri programgenererings- och optimeringsfas som klassiska steg inte använder.

Serverdelsväljaren i föregående flödesschema är en logisk fas i stället för en nödvändig komponent och kan vara en konfigurationssökning som dirigerar varje steg till en fast serverdelstyp.

Du kan vara värd för det här arbetsflödet på Azure med en uppsättning klassiska tjänster som skickar in och övervakar kvantarbetet. Följande diagram visar en exempeltopologi:

Ladda ned en PowerPoint fil i den här arkitekturen.

Dataflöde

Följande dataflöde motsvarar distributionstopologin:

1. Ett klientprogram skickar en begäran via API Management, som autentiserar anroparen med Microsoft Entra ID och tillämpar begränsning innan begäran når beräkningsnivån.
2. API Management vidarebefordrar begäran till indata-API:et, en HTTP-utlöst funktion som validerar den och startar arbetsflödesorkestratorn.
3. För ett steg som körs klassiskt dirigerar orkestratorn körningen till en klassisk backend, till exempel ett HPC-kluster eller GPU-beräkningar.
4. Den klassiska serverdelen skriver sina resultat och det uppdaterade pipelinetillståndet till Storage.
5. För ett steg som körs i kvantmiljön dirigeras körningen av orkestratorn via kvantvägen. Kvantvägen förbereder stegets program, genererar och optimerar det utifrån stegets indata eller med hjälp av en fast implementering, och skickar jobbet till Azure Quantum-arbetsytan. Sändningen autentiseras via hanterad identitet.
6. Arbetsytan kör jobbet mot det valda kvantmålet.
7. Kvantmålet skriver sina resultat till Storage.
8. Orkestreraren läser det uppdaterade tillståndet i Storage och utvärderar arbetsflödets övergångslogik. Om ett konvergens- eller iterationsvillkor kräver en annan kvantkörning använder orkestratorn resultatet för att fastställa parametrar för nästa kvantprogram eller för att tillhandahålla indata som genererar nästa program. Pipelinen loopar sedan tillbaka till rätt steg.
9. Klienten avsöker status-API:et via API Management för att spåra förloppet och hämta de slutliga resultaten när pipelinen når ett terminaltillstånd.

Komponenter

• Durable Functions fungerar som orkestrerare för arbetsflödet för att köra pipelinen som en tillståndsmaskin, samordna stegen och välja kvant- eller annan beräkningsbakände för körningen av varje steg. Du kan implementera orchestrator med Durable Functions eller en annan arbetsflödesmotor.
• Azure HPC- och GPU-bakändar för klassiska beräkningar kör de steg som inte är kvantrelaterade.
• Azure Functions är värd för DE HTTP-API:er som startar och övervakar arbetsflödet, tillsammans med orkestratorn som kör det.
• API Management är startpunkten för klientbegäranden. Den autentiserar anrop och begränsar anropsfrekvensen. Om du vill förhindra att funktionsappen anropas direkt använder du Azure Functions nätverksalternativ, till exempel begränsningar för inkommande åtkomst eller en privat slutpunkt, så att den endast accepterar trafik från API Management.
• Azure Quantum tillhandahåller en arbetsyta för tillgångar som är associerade med att köra kvantjobb. Jobb körs på kvantsimulatorer eller kvantmaskinvara, beroende på vilket mål du väljer.
• Microsoft Entra ID samordnar autentiseringen och skyddar åtkomsten till Azure Quantum arbetsytan.
• Lagring lagrar indata, mellanliggande pipelinetillstånd och resultat.

Alternativ

Arkitekturerna i den här artikeln kör en del av en beräkningsuppgift på ett kvantmål. För vissa beräkningsutmaningar kan befintliga tjänster som skapats för att utföra databehandling med höga prestanda eller tillhandahålla AI-funktioner vara alternativ.

För vetenskapliga forsknings- och utvecklingsarbetsbelastningar använder Microsoft Discovery AI för att orkestrera komplexa uppgifter över modeller, verktyg och beräkningsresurser. Microsoft Discovery kan samordna olika verktyg i pipelines med flera steg och är utökningsbar, så att du kan ansluta dina egna verktyg och agenter i stället för att skapa och använda orkestreringen själv. Integrering med kvantfunktioner, inklusive körning av kvantsteg, kan använda AI för att utföra den orkestrering som det här mönstret bygger för hand.

Scenariodetaljer för orkestrerade arbetsflöden

I det här mönstret kör en arbetsflödesorkestrerare arbetslasten som en pipeline med flera steg. Orkestratorn fungerar som en tillståndsdator där steg upprepas och loopas tills ett avslutnings- eller konvergensvillkor uppfylls. Varje steg följer samma form: Den förbereder sina indata, kör och bearbetar utdata.

Orchestrator väljer den serverdel som kör varje steg. Det här valet är en del av orkestreringslogiken, inte en separat tjänst, och kan vara så enkelt som att läsa målbackend för varje steg i konfigurationen. Ett steg körs på en kvantserverdel eller på klassisk beräkning, till exempel ett HPC-kluster eller GPU-beräkning. Ett enkelt klassiskt steg kan köras i själva orkestratorn. När kvantstegen upprepas bearbetar arbetsflödet resultatet av en kvantkörning för att fastställa parametrar för nästa kvantprogram eller för att tillhandahålla indata som genererar nästa program.

Ett steg som körs på en kvantbakände kan introducera en fas som klassiska steg inte har. Den fasen genererar och optimerar kvantprogrammet före körning. Den här fasen är valfri. Programmet kan generera dynamiskt från stegets indata, eller så kan det komma från en fast implementering som hoppar över den här fasen. Ett steg som är lämpat för kvantkörning kan ändå köras på en klassisk backend om det passar indata bättre.

Kvantkemi är ett representativt exempel. En typisk pipeline använder klassiska steg för att förbereda ett molekylärt system: Geometrioptimering, en självkonsekvent fältberäkning och val av aktivt utrymme. Pipelinen beräknar sedan en målegenskap, till exempel grundtillståndsenergin för en molekyl. Energiberäkningssteget har samma avsikt oavsett om det körs på en klassisk uppskattning eller på en kvantalgoritm. Du väljer serverdelen baserat på den noggrannhet du behöver och problemets storlek.

QDK/Chemistry-biblioteket stöder pipelines som dessa. Biblioteket innehåller modulära komponenter för de klassiska förberedelsestegen och för att generera en tillståndsförberedelsekrets från den klassiskt beräknade vågfunktionen, som en kvantserverdel sedan använder för att uppskatta energin med en algoritm, till exempel kvantfasuppskattning. Den här kretsgenereringsfunktionen är ett konkret exempel på hur du skapar kvantprogrammet dynamiskt från ett stegs indata.

Potentiella användningsfall

Det arbetsflödesorkestrerade kvantintegreringsmönstret passar dessa användningsfall:

• Den klassiska sidan är tung och inriktad på problemtillståndslogik, och den utnyttjar den kvantmekaniska kapaciteten som ett eller flera av många steg.
• Arbetsflödet är en flerstegspipeline som ofta är iterativ, likt en tillståndsmaskin. Varje steg körs på den beräkningsserverdel som passar bäst: HPC, GPU eller ett kvantmål. Kvantberäkning är ett alternativ för en eller flera steg.
• Ett kvantsteg representerar en väldefinierad byggsten, till exempel en vetenskaplig beräkning som beräknar en molekylär egenskap. Den exakta kvantkoden kan till och med genereras och optimeras dynamiskt för att passa de faktiska indata.
• Arbetsflödesorkestratorn hanterar flera fristående kvantexekveringar och klassisk bearbetning mellan dem. Resultatet av en körning avgör parametrarna för nästa kvantprogram eller ger indata som genererar nästa program. Iterativ fasuppskattning passar den här strukturen, liksom variantalgoritmer som Variantal Quantum Eigensolver (VQE) och Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA).

Överväganden

Dessa överväganden implementerar grundpelarna i Azure Well-Architected Framework, som är en uppsättning vägledande grundsatser som du kan använda för att förbättra kvaliteten på en arbetsbelastning. Mer information finns i Well-Architected Framework.

Tillförlitlighet

Tillförlitlighet hjälper till att säkerställa att ditt program kan uppfylla de åtaganden som du gör gentemot dina kunder. Mer information finns i Checklista för designgranskning för tillförlitlighet.

Kvantjobb körs på fjärrbaserade, delade målsystem, så jobbkörningar kan misslyckas på grund av tillfälliga fel, till exempel en timeout i målsystemet. Oavsett vilket integrationsmönster du väljer övervakar du jobbkörningen så att du kan visa jobbets status för användaren. När ett jobb misslyckas på grund av ett tillfälligt fel använder du mönstret Försök igen. Skicka jobb via asynkrona anrop och sök efter resultatet så att du inte blockerar den anropande klienten.

Tillgängligheten för kvantberäkningsfunktionen beror mycket på kvantberäkningsproviderns tillgänglighet och kapacitetsegenskaper. Beroende på beräkningsmålet kan det klassiska klientprogrammet uppleva långa fördröjningar eller otillgänglighet för målet.

För de omgivande Azure tjänsterna gäller de vanliga tillgänglighetsövervägandena. Om det behövs bör du överväga att använda replikeringsalternativen i Azure Storage redundans.

Tillförlitlighet för arbetsflödesorkestrerad integrering

• För hög tillgänglighet i arbetsflödesorkestrerad integrering distribuerar du API Management mellan tillgänglighetszoner eller flera regioner. Zonredundans kräver Premium- eller Premium v2-nivån, och distribution i flera regioner kräver Premium-nivån.

• Om du implementerar orchestratorn med Durable Functions bör du planera dess katastrofåterställning som en enhet i stället för att behandla funktionsappen och dess tillstånd som oberoende tjänster. Varaktiga funktioner bevarar alla orkestreringstillstånd i en aktivitetshubb i en lagringsserverdel, vilket är Azure Storage som standard. Eftersom körningens tillstånd och beräkningsresurserna är kopplade via den aktivitetshubben innebär det inte en säker failover att etablera funktionsappen i en andra region och replikera lagringen separat. Orkestreringar kan pausa, förlora de senaste transaktionerna eller läsa en aktivitetshubb mellan regioner, beroende på topologin.

  För en säker redundans använder du en aktiv-passiv konfiguration som redundansväxlar till en sekundär region, som frontas av en global belastningsutjämningstjänst som Azure Front Door eller Azure Traffic Manager. Bekräfta att tjänstens hälsoavsökningar kan nå funktionsappen under nätverksbegränsningarna, eftersom samma kontroller som begränsar appen till API Management-trafik också kan blockera dessa avsökningar. Välj den topologi som matchar din tolerans för dataförlust och svarstid mellan regioner. De samordnade alternativen och deras kompromisser finns i Haveriberedskap och geodistribution i Durable Functions.

Säkerhet

Säkerhet ger garantier mot avsiktliga attacker och missbruk av dina värdefulla data och system. Mer information finns i Checklista för designgranskning för säkerhet.

Tillämpa följande härdningsmetoder på de klassiska tjänster som omger kvantjobbet, oavsett vilket integrationsmönster du väljer:

• Autentisera till Azure Quantum och de omgivande tjänsterna med hjälp av Microsoft Entra identiteter och inaktivera lokal autentisering där tjänsten stöder den. Använd hanterade identiteter oavsett var värdmiljön stöder dem. För en klient som inte kan använda en hanterad identitet autentiserar du med en annan Microsoft Entra identitet, till exempel ett huvudnamn för tjänsten eller en interaktiv användarinloggning.

• Bevilja varje komponent som använder Storage den dataplansåtkomst den behöver via Azure-rollbaserad åtkomstkontroll (Azure RBAC) med Microsoft Entra ID, med omfång begränsat till den komponenten. Bädda inte in lagringskontonycklar i programkod.

I allmänhet bör du tillämpa säkerhetsrekommendationerna i Well-Architected Framework när så är lämpligt.

Säkerhet för direkt kvantintegrering

Till skillnad från arbetsflödesorkestrerad kvantintegrering förutsätter det här mönstret att en enda klient kommer åt Azure Quantum arbetsytan. Klientprogrammet är vanligtvis ett lättviktigt klassiskt ramverk som fokuserar på jobbinlämning och hantering snarare än ett mer övergripande arbetsflödestillstånd. Det här scenariot leder till följande konfigurationer:

• Eftersom klienten är känd kan du ge den en fast identitet. När klienten körs på en Azure värdbaserad resurs associerar du en hanterad identitet med den. När klienten körs utanför Azure använder du tjänstens huvudnamn eller en interaktiv användarinloggning.

• Du kan implementera begärandebegränsning och cachning av resultat i själva klienten.

Säkerhet för arbetsflödesorkestrerad integrering

Till skillnad från direkt kvantintegrering placerar det här mönstret en klassisk tjänstnivå framför kvantarbetet. API Management är ingången till det lagret, så säkerhetskonfigurationerna fokuserar på att skydda ingångspunkten och vägen till kvantarbetsytan.

• Klienter måste autentisera till API:et. Implementera den här autentiseringen med hjälp av autentiseringsprinciper.

• Du kan implementera autentisering av Azure-funktionerna via hanterade identiteter som är associerade med funktionerna. Du använder dessa identiteter för att autentisera utgående anrop till Azure Quantum-arbetsytan.

• API Management kan tillämpa begärandebegränsning för att skydda kvantbackend och begränsa användningen av kvantresurser. Mer information finns i Begränsning av API Management-begäranden.

• Beroende på begärandemönstret kanske du kan implementera cachelagring av kvantberäkningsresultat med hjälp av API Management-cachelagringsprinciper.

Kostnadsoptimering

Kostnadsoptimering fokuserar på sätt att minska onödiga utgifter och förbättra drifteffektiviteten. Mer information finns i Checklista för designgranskning för kostnadsoptimering.

Den totala kostnaden för den här lösningen beror på det kvantberäkningsmål som du väljer för att köra kvantjobbet. De klassiska komponenterna är enkla att uppskatta. En representativ distribution av det arbetsflödesorkestrerade mönstret finns i det här exemplet på kostnadsuppskattning, som omfattar de klassiska komponenterna, inklusive API Management, Azure Functions och Storage. Direktintegreringsmönstret är lättare, men de klassiska kostnaderna omfattar fortfarande Lagring och alla värdar, nätverk och övervakning som klientprogrammet använder.

Du kan använda kvantberäkningsleverantörer för Azure Quantum via ett Microsoft Marketplace-erbjudande. Prissättningen beror på typen av resurs (simulator eller maskinvara), SKU:n och din användning. Mer information finns på referenssidan för leverantören för ditt scenario via Leverantörer av kvantberäkning i Azure Quantum.

Bidragsgivare

Microsoft ansvarar för den här artikeln. Följande deltagare skrev den här artikeln.

Huvudförfattare:

• Zander Chocron | Principal Software Engineer, Microsoft Quantum

Om du vill se linkedin-profiler som inte är offentliga loggar du in på LinkedIn.

Nästa steg

• En översikt över Microsoft kvantberäkningsekosystem finns på webbplatsen Microsoft Quantum och slutför utbildningsvägen för Kvantberäkningsgrunder.
• Mer information om tjänsten Azure Quantum finns i Vad är Azure Quantum?.
• Allmän information om Azure Quantum jobbhantering finns i Work with Azure Quantum jobs.
• Information om hur du kombinerar klassiska instruktioner och kvantinstruktioner i ett jobb finns i Introduktion till hybrid kvantberäkning.

Relaterade resurser

• Designprinciper för operational excellence
• Asynkront Request-Reply mönster