Workflow-basierte Modellierung, Ausführung und Überwachung hybrider Quantenanwendungen

Abstract

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.