Entwicklung eines Modellierungswerkzeuges für Quanten-Workflows

Abstract

Mit zunehmender Leistungsfähigkeit finden Quanten-Computer und Quantenalgorithmen in immer mehr Bereichen Anwendung, um dort Probleme effizienter als klassische Computer zu lösen. Bei Quantenalgorithmen handelt es sich häufig um hybride Algorithmen, die sowohl auf Quanten-Computern als auch auf klassischen Computern ausgeführt werden. Quanten-Algorithmen und klassische Algorithmen werden in Quantenanwendungen orchestriert. Dafür können Quanten-Workflows verwendet werden, um unter anderem die Unterbrechbarkeit und die Skalierbarkeit der Quantenalgorithmen zu erhöhen. Durch die unterschiedlichen Anwendungsbereiche und Benutzergruppen der Quantendomäne ist bei der Modellierung von Quanten-Workflows die graphische Modellierung besonders wichtig, um die fachlichen und technischen Voraussetzung möglichst gering zu halten. Existierenden Modellierungswerkzeugen fehlt es jedoch häufig an Unterstützung der graphischen Modellierung von Quanten-Workflows und des Datenflusses von Quanten-Workflows. Der in dieser Arbeit entwickelte Quantum Workflow Modeler ermöglicht eine explizite, graphische Modellierung des Datenflusses und von Datentransformationen, durch Erweiterung des BPMN Standards [OMG11]. Zudem kann er Plugin-basiert erweitert werden, um quantenspezifische Modellierungselemente zu integrieren. In dieser Arbeit wurden bereits das Datenfluss-, QuantME, PlanQK und QHAna Plugin in den Modeler integriert, um die Modellierung von Quanten-Workflows zu unterstützen. Um die Portabilität der mit diesen Erweiterungen modellierten Workflows zu gewährleisten, bietet der Modeler Schnittstellen, um erweiterte Workflows in BPMN konforme Workflows zu transformieren. Der Quantum Workflow Modeler wurde als HTML Web-Komponente implementiert, um in andere Web-Anwendungen, unabhängig des verwendeten Frameworks, integriert werden zu können.

With increasing performance, quantum computers and quantum algorithms are being used in more and more areas to solve problems more efficiently than classical computers. Quantum algorithms are often hybrid algorithms that run on both quantum and classical computers. Quantum and classical algorithms are orchestrated in quantum applications. For this purpose, quantum workflows can be used to increase the interruptibility and scalability of quantum algorithms, among others. Due to the different application domains and user groups of the quantum domain, graphical modeling is particularly important for modeling quantum workflows in order to minimize the domain-specific and technical prerequisite. However, existing modeling tools often lack support for graphical modeling of quantum workflows and data flow of quantum workflows. The Quantum Workflow Modeler developed in this thesis enables explicit, graphical modeling of data flow and data transformations, by extending the BPMN standard. Moreover, it can be extended in a plugin-based way to integrate quantum-specific modeling elements. In this work, the DataFlow, QuantME, PlanQK, and QHAna plugin have already been integrated into the Modeler to support quantum workflow modeling. To ensure portability of workflows modeled with these extensions, the Modeler provides interfaces to transform extended workflows into BPMN compliant workflows. The Quantum Workflow Modeler has been implemented as an HTML web component to integrate with other web applications, regardless of the framework used.