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Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Architektur von AnwendungssystemenAuthor: search.filters.author.Beisel, MartinSubject: search.filters.subject.004

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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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    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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    ItemOpen Access
    Mustererstellung für Quantenalgorithmen in einem Musterrepository
    (2020) Beisel, Martin
    Muster werden in unterschiedlichsten Domänen zur Dokumentation von häufig wiederkehrenden Problemen verwendet. Zumeist arbeiten mehrere Musterautoren kollaborativ an dem Identifikations- und Erstellungsprozess einer Mustersprache. Die Dokumentation der Muster erfolgt entweder klassisch in einem Buch oder Paper oder in einem Musterrepository. Ein Repository bietet den Vorteil, dass es einfach angepasst und erweitert werden kann. Mit der steigenden Relevanz des Quantencomputings wurde es immer wichtiger, dass Entwickler Quantenalgorithmen effizient erstellen können. Um dies zu erreichen wurden häufig wiederkehrende Probleme aufgefasst und in den ersten Quantencomputing-Mustern dokumentiert. Da sich die Quantencomputing-Domäne momentan sehr schnell entwickelt, sollen die Muster erweitert und beim Erlangen neuer Erkenntnisse angepasst werden. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde analysiert, welche spezifischen Anforderungen Quantencomputing-Muster an ein Musterrepository haben. Insbesondere das Darstellen, Bearbeiten und Diskutieren von Quantenartefakten, wie mathematischen Formeln, Quantenschaltungen und konkreten Implementierungen, wurde als essentiell identifiziert. Auf Basis dieser Anforderungen und der allgemeinen Richtlinien zum Mustererstellungsprozess wurde ein Konzept für ein Quantencomputing-Musterrepository entwickelt, welches im Pattern Atlas als Prototyp umgesetzt wurde.
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    Eine musterbasierte Methode für die Entwicklung und den Betrieb hybrider Quantenanwendungen
    (2025) Beisel, Martin; Leymann, Frank (Prof. Dr. Dr. h. c.)
    Quantencomputer ermöglichen es, bestimmte Berechnungen schneller, genauer und energieeffizienter durchzuführen als klassische Computer, indem sie quantenmechanische Phänomene ausnutzen. Da die Umsetzung der meisten Quantenalgorithmen allerdings Operationen benötigt für die Quantencomputer ungeeignet sind, z. B. Datenbankzugriffe, werden Quantencomputer typischerweise als Spezialprozessoren in hybriden Quantenanwendungen verwendet. Die Entwicklung und der Betrieb dieser hybriden Anwendungen sind komplex und erfordern eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit. Dabei wird tiefgreifendes Wissen aus unterschiedlichen Domänen benötigt, beispielsweise aus der Mathematik, Physik und Softwareentwicklung. Zusätzlich wird die Entwicklung und der Betrieb von Quantenanwendungen durch weitere Faktoren erschwert: (i) Die aktuelle Quantensoftwarelandschaft und die verfügbaren Quanten-Clouddienste, die Zugriff auf unterschiedliche Quantencomputer geben, sind sehr heterogen. (ii) Die schnellen Fortschritte im Quanten-Software-Engineering führen zur Einführung neuer Techniken, welche die Ausführung von Quantenschaltkreisen verbessern können, allerdings aktuell eine komplexe, manuelle Integration erfordern. (iii) Das Fehlen geeigneter Abstraktionsebenen führt dazu, dass die Entwicklung von Quantenanwendungen, insbesondere für Entwickler, die wenig Erfahrung mit Quantencomputing haben, zeitaufwändig und fehleranfällig ist. Um diese Probleme zu lösen, wird in dieser Arbeit die PASTA-Methode präsentiert. Diese basiert auf der Quantencomputingmustersprache, welche etablierte Konzepte und Best Practices in der Quantencomputingdomäne intuitiv verständlich dokumentiert, und stellt einen ganzheitlichen Prozess für diemusterbasierten Entwicklung und den Betrieb von Quantenanwendungen vor. Die Methode beinhaltet alle notwendigen Schritte von der Auswahl der zu verwendenden Quantencomputingmuster, über die Generierung der ausführbaren Quantenanwendung auf Basis wiederverwendbarer Lösungen sowie die Bereitstellung der erforderlichen Softwareartefakte, bis hin zur Überwachung und Analyse der Ausführung hybrider Quantenanwendungen. Zur Umsetzung der PASTA-Methode wird im Rahmen dieser Arbeit die Quantencomputingmustersprache um mehrere Muster erweitert, welche Best Practices für den Betrieb von hybriden Quantenanwendungen sowie etablierte Methoden zur Abschwächung und Korrektur von Quantenfehlern dokumentieren. Um die vom Nutzer ausgewählten Muster in einen ausführbaren Quantenworkflow transformieren zu können, werden eine Vielzahl neuer Workflowmodellierungskonstrukte eingeführt, welche die Spezifikation verschiedener, häufig auftretender Aktivitäten in Quantenworkflows vereinfachen. Weiterhin wird ein Ansatz für die automatische und dynamische Bereitstellung von hybriden Quantenanwendungen auf Grundlage von Nutzeranforderungen vorgestellt. Auf diesen Konzepten aufbauend werden neue Sichten auf Quantenworkflows eingeführt, welche die Überwachung und Analyse von hybriden Quantenanwendungen vereinfachen. Die Sichten ermöglichen es unterschiedlichen Nutzergruppen, wie beispielsweise Quantenexperten und dem Betriebspersonal, Quantenanwendungen auf verschiedenen Abstraktionsebenen zu analysieren und bieten zusätzliche, für die jeweilige Nutzergruppe relevante Informationen. Zur Demonstration der praktischen Umsetzbarkeit der PASTA-Methode wird das PASTA-Framework eingeführt, welches die in dieser Arbeit eingeführten Konzepte prototypisch implementiert. Die Nutzbarkeit der Methode und des Frameworks werden anhand mehrerer Anwendungsfälle evaluiert, für welche eine Laufzeitanalyse sowie eine Nutzerstudie durchgeführt wird.