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Authors: Bechtold, Marvin
Title: Bringing the concepts of virtualization to gate-based quantum computing
Issue Date: 2021 Abschlussarbeit (Master) 87
Abstract: Quantum computing is a promising paradigm to solve certain computational problems that are intractable for classical computers. Quantum computers manipulate bits of quantum information called qubits. Their development has gained momentum in recent years. Cloud providers offered the first quantum computers for commercial use via the cloud and continue to expand their quantum computing service offerings. Classical computing in the cloud uses virtualization to abstract from the physical computing resources to virtual resources. It enables resource sharing among multiple clients and dynamic allocation of resources to clients and applications. To this end, physical resources can be aggregated and partitioned to create customized virtual resources. In contrast, the logical execution of a quantum circuit that illustrates the computation is still tightly bound to the physical quantum device. Cloud users need to select a suitable physical quantum computer for their computations. If the calculation requires more qubits than the quantum computer has, the device cannot execute it. Otherwise, the execution of the quantum circuit blocks the entire quantum machine regardless of the qubit capacity used. This work develops a virtualization concept for quantum computing to separate the logical quantum computation from the underlying hardware. Aggregation and partitioning of quantum circuits decouple the one-to-one relationship between the computation of a quantum circuit and the execution hardware. The goal is to automate the mapping between the quantum circuits and appropriate physical quantum execution resources, including their aggregation and partitioning. The concept is implemented in a prototype and evaluated with modern quantum computers.
Quantencomputing ist ein vielversprechendes Paradigma zur Lösung bestimmter Rechenprobleme, die für klassische Computer unlösbar sind. Quantencomputer manipulieren Bits mit Quanteninformation, sogenannte Qubits. Ihre Entwicklung hat in den letzten Jahren an Dynamik gewonnen. Cloud-Anbieter boten die ersten Quantencomputer für die kommerzielle Nutzung über die Cloud an und bauen ihr Angebot an Quantencomputer-Diensten weiter aus. Klassisches Computing in der Cloud nutzt Virtualisierung, um von den physischen Rechenressourcen auf virtuelle Ressourcen zu abstrahieren. Es ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Ressourcen durch mehrere Clients und die dynamische Zuweisung von Ressourcen zu Clients und Anwendungen. Zu diesem Zweck können physische Ressourcen aggregiert und partitioniert werden, um maßgeschneiderte virtuelle Ressourcen zu erstellen. Im Gegensatz dazu ist die logische Ausführung eines Quantenschaltkreieses, der die Berechnung veranschaulicht, immer noch eng an die physikalische Quantenvorrichtung gebunden. Cloud-Nutzer müssen einen geeigneten physikalischen Quantencomputer für ihre Berechnungen auswählen. Wenn die Berechnung mehr Qubits erfordert, als der Quantencomputer hat, kann das Gerät sie nicht ausführen. Andernfalls blockiert die Ausführung des Quantenschaltkreieses den gesamten Quantencomputer unabhängig von der verwendeten Qubit-Kapazität. Diese Arbeit entwickelt ein Virtualisierungskonzept für das Quantencomputing, um die logische Quantenberechnung von der zugrundeliegenden Hardware zu trennen. Die Aggregation und Partitionierung von Quantenschaltkreiesen entkoppelt die Eins-zu-Eins-Beziehung zwischen der Berechnung eines Quantenschaltkreieses und der Ausführungshardware. Ziel ist es, die Zuordnung zwischen den Quantenschaltungen und geeigneten physischen Quantenausführungsressourcen einschließlich ihrer Aggregation und Partitionierung zu automatisieren. Das Konzept wird in einem Prototyp implementiert und mit aktuellen Quantencomputern evaluiert.
Appears in Collections:05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik

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