05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik

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Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Architektur von AnwendungssystemenAuthor: search.filters.author.Weder, Benjamin

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    Automated quantum hardware selection for quantum workflows
    (2021) Weder, Benjamin; Barzen, Johanna; Leymann, Frank; Salm, Marie
    The execution of a quantum algorithm typically requires various classical pre- and post-processing tasks. Hence, workflows are a promising means to orchestrate these tasks, benefiting from their reliability, robustness, and features, such as transactional processing. However, the implementations of the tasks may be very heterogeneous and they depend on the quantum hardware used to execute the quantum circuits of the algorithm. Additionally, today’s quantum computers are still restricted, which limits the size of the quantum circuits that can be executed. As the circuit size often depends on the input data of the algorithm, the selection of quantum hardware to execute a quantum circuit must be done at workflow runtime. However, modeling all possible alternative tasks would clutter the workflow model and require its adaptation whenever a new quantum computer or software tool is released. To overcome this problem, we introduce an approach to automatically select suitable quantum hardware for the execution of quantum circuits in workflows. Furthermore, it enables the dynamic adaptation of the workflows, depending on the selection at runtime based on reusable workflow fragments. We validate our approach with a prototypical implementation and a case study demonstrating the hardware selection for Simon’s algorithm.
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    Provenance-preserving analysis and rewrite of quantum workflows for hybrid quantum algorithms
    (2023) Weder, Benjamin; Barzen, Johanna; Beisel, Martin; Leymann, Frank
    Quantum applications are hybrid, i.e., they comprise quantum and classical programs, which must be orchestrated. Workflows are a proven solution for orchestrating heterogeneous programs while providing benefits, such as robustness or scalability. However, the orchestration using workflows can be inefficient for some quantum algorithms, requiring the execution of quantum and classical programs in a loop. Hybrid runtimes are offered to efficiently execute these algorithms. For this, the quantum and classical programs are combined in a single hybrid program, for which the execution is optimized. However, this leads to a conceptual gap between the modeling benefits of workflow technologies, e.g., modularization, reuse, and understandability, and the efficiency improvements when using hybrid runtimes. To close this gap, we introduce a method to model all tasks explicitly in the workflow model and analyze the workflow to detect parts of the workflow that can benefit from hybrid runtimes. Furthermore, corresponding hybrid programs are automatically generated based on the quantum and classical programs, and the workflow is rewritten to invoke them. To ease the live monitoring and later analysis of workflow executions, we integrate process views into our method and collect related provenance data. Thus, the user can visualize and monitor the workflow in the original and rewritten form within the workflow engine. The practical feasibility of our approach is validated by a prototypical implementation, a case study, and a runtime evaluation.
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    Einbindung von Informations-Ressourcen in informelle Prozesse
    (2016) Weder, Benjamin
    Informelle Prozesse sind Business Prozesse, bei denen der Großteil der Aktivitäten von Menschen durchgeführt wird. Deshalb sind die Aktivitäten nur schwer vorhersehbar und übliche Modellierungsmöglichkeiten für Business Prozesse können nicht eingesetzt werden. Ein Ansatz ist es, die Aktivitäten implizit zu beschreiben. Dazu werden die im informellen Prozess verwendeten Ressourcen modelliert. Weil zu den Ressourcen auch menschliche Akteure gehören und diese die Aktivitäten durchführen, ist dies eine Möglichkeit einen informellen Prozess indirekt zu beschreiben. Da informelle Prozesse einen großen Teil der Prozesse in Unternehmen ausmachen, bringt eine teilweise automatische Ausführung dieser Prozesse in vielen Fällen einen erheblichen Gewinn. Um die teilweise automatische Ausführung zu ermöglichen, müssen die Ressourcen von informellen Prozessen automatisch initialisierbar sein. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Integration von Informations-Ressourcen in informelle Prozesse. Dazu werden Eigenschaften von Informations-Ressourcen analysiert und daraus Anforderungen an eine Software zur Integration von Informations-Ressourcen abgeleitet. Anschließend wird eine Integrations-Software konzeptuell ausgearbeitet, die besonders den Aspekt der einfachen Erweiterbarkeit verfolgt. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig, da es sehr viele verschiedene Informations-Ressourcen gibt. So soll die Möglichkeit geschaffen werden, die Software durch Erweiterungen an die Bedürfnisse eines informellen Prozesses anzupassen. Das Resultat der Arbeit ist eine Integrations-Software für informelle Prozesse, die einen Teil der Informations-Ressourcen integrieren kann und zudem einfach um weitere Ressourcen erweitert werden kann. Zur Funktionalität der Software gehört unter anderem das Auflisten und Initialisieren von Ressourcen in informellen Prozessen.
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    Topologie-basierte und verteilte Provisionierung von IoT Anwendungen
    (2019) Weder, Benjamin
    Das Paradigma des Internet of Things (IoT) beschreibt die Vernetzung von beliebigen Dingen innerhalb des Internets. Mit dem zunehmenden Erfolg des IoT Paradigmas steigt die Anzahl verbundener Dinge bzw. Geräte kontinuierlich an. Für Anbieter von IoT Anwendungen entstehen damit neue Herausforderung bei der Provisionierung und Wartung solcher Anwendungen. Eine manuelle Provisionierung und Wartung ist aufgrund der großen Anzahl an Komponenten und ihrer Heterogenität eine komplexe, fehleranfällige und teure Aufgabe. Deshalb werden Techniken und Technologien benötigt, um diese Aufgaben zu automatisieren. Im Anwendungsbereich des Cloud Computing kann die Provisionierung von Anwendungen durch sogenannte Deployment Systeme vollständig automatisiert werden. Ein Einsatz von Deployment Systemen in IoT Szenarien ist ebenfalls möglich, allerdings kann die Heterogenität von Geräten und die Verteilung von Anwendungen über verschiedene private Netzwerke dazu führen, dass die Provisionierung scheitert. So können zum Beispiel Firewalls den Zugriff auf Geräte verhindern, auf denen Teile einer Anwendung provisioniert werden sollen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb ein Konzept entwickelt, um die automatische Provisionierung von verteilten IoT Anwendungen mit einem Deployment System zu ermöglichen. Dazu wird gezeigt, wie ein verteiltes Deployment System die Probleme, die bei der Provisionierung von verteilten IoT Anwendungen mit einem zentralisierten Deployment System auftreten, umgehen kann. Weiterhin wird ermittelt, auf welche Weise die verteilten Knoten eines solchen Deployment Systems kommunizieren können und wie anhand der Topologie einer Anwendung bestimmt werden kann, welcher Knoten für die Provisionierung von welchen Teilen der Anwendung verantwortlich ist. Das entwickelte Konzept wurde prototypisch im OpenTOSCA Container, einem auf dem TOSCA-Standard basierenden, automatischen Deployment System, implementiert und anschließend validiert.
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    Configurable readout error mitigation in quantum workflows
    (2022) Beisel, Martin; Barzen, Johanna; Leymann, Frank; Truger, Felix; Weder, Benjamin; Yussupov, Vladimir
    Current quantum computers are still error-prone, with measurement errors being one of the factors limiting the scalability of quantum devices. To reduce their impact, a variety of readout error mitigation methods, mostly relying on classical post-processing, have been developed. However, the application of these methods is complicated by their heterogeneity and a lack of information regarding their functionality, configuration, and integration. To facilitate their use, we provide an overview of existing methods, and evaluate general and method-specific configuration options. Quantum applications comprise many classical pre- and post-processing tasks, including readout error mitigation. Automation can facilitate the execution of these often complex tasks, as their manual execution is time-consuming and error-prone. Workflow technology is a promising candidate for the orchestration of heterogeneous tasks, offering advantages such as reliability, robustness, and monitoring capabilities. In this paper, we present an approach to abstractly model quantum workflows comprising configurable readout error mitigation tasks. Based on the method configuration, these workflows can then be automatically refined into executable workflow models. To validate the feasibility of our approach, we provide a prototypical implementation and demonstrate it in a case study from the quantum humanities domain.
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    Workflow-basierte Modellierung, Ausführung und Überwachung hybrider Quantenanwendungen
    (2024) Weder, Benjamin; Leymann, Frank (Prof. Dr. Dr. h.c.)
    Quantencomputing ermöglicht es verschiedene Problem schneller, präziser oder energieeffizienter zu lösen als dies mit klassischer Hardware möglich ist. Jedoch existiert aktuell keine Software-Engineering-Disziplin für die Entwicklung und den Betrieb entsprechender Quantenanwendungen. Quantenanwendungen sind fast immer hybrid, d. h. sie verwenden sowohl Quantenprogramme als auch klassische Programme. Deshalb ist deren Entwicklung und Betrieb sehr komplex und erfordert ein interdisziplinäres Team von Experten unterschiedlicher Bereiche, wie Mathematik, Physik oder Informatik. Dies führt zu einer Reihe von Herausforderungen: (i) Aktuell fehlt ein gemeinsames Verständnis der Experten, wie hybride Quantenanwendungen entwickelt und betrieben werden sollen. (ii) Außerdem ist die Erstellung hybrider Quantenanwendungen durch das Fehlen geeigneter Abstraktionen komplex und zeitaufwendig. (iii) Die Fehleranfälligkeit heutiger Quantencomputer erfordert darüber hinaus eine genaue Überwachung und Analyse der Ausführung, um mögliche Fehler und Verbesserungsmöglichkeiten zu identifizieren. Zu diesen Verbesserungsmöglichkeiten zählt beispielsweise die Verbesserung der Genauigkeit durch die Wahl eines anderen Quantencomputers oder der Effizienz durch die Verwendung einer hybriden Runtime. Auch fehlt aktuell eine Untersuchung, welche Daten für die Überwachung und Analyse gesammelt werden müssen und wie diese ausgewertet werden können. Um diese Herausforderungen zu lösen, stellt die vorliegende Arbeit einen Lebenszyklus für hybride Quantenanwendungen vor. Dieser Lebenszyklus betrachtet mit klassischen Programmen, Quantenprogrammen und Workflows alle relevanten Softwareartefakte und diskutiert entsprechende Phasen mit zugehörigen Leitlinien, Best Practices, Konzepten und Werkzeugen. Basierend auf den identifizierten Phasen des Lebenszyklus wird eine domänenspezifische Modellierungserweiterung für Workflows eingeführt. Diese enthält explizite Modellierungskonstrukte für unterschiedliche Verarbeitungsschritte bei der Ausführung hybrider Quantenanwendungen und definiert zugehörige Konfigurationsattribute. Infolgedessen wird die Modellierung von Workflows zur Orchestrierung hybrider Quantenanwendungen vereinfacht und deren Verständlichkeit sowie die Wiederverwendbarkeit einzelner Softwareartefakte erhöht. Durch eine automatisierte Transformation in native Workflows wird sichergestellt, dass die für die Ausführung des Workflows zu verwendende Workflow-Engine nicht erweitert werden muss. Zur Automatisierung weiterer aktuell manueller und fehleranfälliger Aufgaben werden außerdem Konzepte präsentiert, um Workflows zur Orchestrierung hybrider Quantenanwendungen zu analysieren, für eine optimierte Ausführung umzuschreiben, in einem eigenständigen Archiv mit allen Abhängigkeiten zu paketieren und für die Ausführung bereitzustellen. Um die Überwachung und Analyse der Ausführung hybrider Quantenanwendungen zu verbessern, diskutiert diese Arbeit, welche Daten hierfür erforderlich sind und wie diese automatisiert von einem Provenancesystem gesammelt und gespeichert werden können. Zudem werden geeignete Abstraktionen für die Überwachung und Analyse eingeführt, um bestimmte Informationen abhängig von den jeweiligen Nutzergruppen ein- oder auszublenden. Um die praktische Umsetzbarkeit der in dieser Arbeit präsentierten Konzepte und Ansätze zu zeigen, werden diese im Rahmen des sogenannten MODULO-Frameworks prototypisch implementiert. Außerdem erfolgt eine Validierung der Konzepte und Prototypen anhand eines industriellen Anwendungsfalls.