Eine musterbasierte Methode für die Entwicklung und den Betrieb hybrider Quantenanwendungen

Abstract

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. Quantum computers enable solving specific problems faster, more precisely, and more energy-efficiently than classical computers by exploiting quantum mechanical phenomena. However, the realization of most quantum applications requires operations which quantum computers are unsuitable for, e.g., database access. Therefore, they are typically used as specialized coprocessors in hybrid quantum applications. The development and operation of these quantum applications are complex and require interdisciplinary collaboration, as in-depth knowledge from different domains is required, e.g., mathematics, physics, and software development. Furthermore, the development and operation of quantum applications is complicated by other factors: (i) Today’s quantum software landscape and the available quantum cloud services providing access to different quantum computers are very heterogeneous. (ii) With the rapid developments in quantum software engineering, new techniques to improve the execution of quantum circuits are regularly introduced. However, they currently require a complex manual integration. (iii) The lack of suitable abstraction layers makes the development of quantum applications time-consuming and error-prone, especially for developers with little experience in quantum computing. To overcome these issues, the PASTA-method is presented in this thesis. It is based on the quantum computing pattern language, which documents established concepts and best practices in the quantum computing domain in a comprehensive manner, and presents a holistic method for the pattern-based development and operation of hybrid quantum applications. The method includes all necessary steps from the selection of the quantum computing patterns to be used, the generation of the executable quantum application based on reusable solutions and the deployment of the required artifacts, to the monitoring and analysis of the execution of quantum applications. To realize the PASTA-method, the quantum computing pattern language is extended with several patterns documenting best practices for the operation of hybrid quantum applications as well as established methods for mitigating and correcting quantum errors. To transform the user-selected patterns into an executable quantum workflow, a variety of new workflow modeling constructs are introduced that simplify the specification of various frequently occurring activities in quantum workflows. Furthermore, an approach for the automated and dynamic deployment of hybrid quantum applications based on user requirements is presented. Based on these concepts, new views on quantum workflows are introduced that simplify the monitoring and analysis of hybrid quantum applications. These views enable different user groups, such as quantum experts and operations personnel, to analyze hybrid quantum applications at different levels of abstraction and provide additional information relevant to the respective user group. To demonstrate the practical feasibility of the PASTA-method, the PASTAframework is introduced, implementing the concepts of this thesis. The usability of the method and the corresponding framework are evaluated by realizing several use cases, for which a runtime analysis and a user study are performed.