Implementing variational quantum algorithms as compositions of reusable microservice-based plugins

Abstract

With its transformative processing capabilities, Quantum computing has ushered in a new computational era, presenting unparalleled opportunities and intricate challenges. One potential beneficiary of this quantum revolution is the Digital Humanities. With quantum computing, the field has the potential to enhance its quantitative analysis dramatically. QHAna, the Quantum Humanities Analysis tool explicitly designed for Quantum Digital Humanities, emerges as a pivotal system. This thesis focuses on enhancing QHAna by integrating variational algorithms and paving the way for Variational Quantum Algorithms in a modular manner. The objective is to encapsulate components of variational algorithms as distinct, interchangeable plugins, ensuring adaptability and enabling end users to adapt the algorithms. Addressing challenges like robust plugin communication and intuitive user experience, the research delves into this modular framework's design, implementation, and evaluation. Beyond the immediate application to Variational Quantum Algorithms, the insights and methodologies derived here lay the foundational groundwork for future modular system designs in the quantum computing domain.

Mit ihren transformativen Verarbeitungsmöglichkeiten hat die Quanteninformatik eine neue Ära der Datenverarbeitung eingeläutet, die unvergleichliche Möglichkeiten und komplexe Herausforderungen mit sich bringt. Ein potenzieller Gewinner dieser Quantenrevolution sind die digitalen Geisteswissenschaften. Mit dem Quantencomputing hat dieser Bereich das Potenzial, seine quantitative Analyse drastisch zu verbessern. QHAna, das "Quantum Humanities Analysis Tool", das explizit für die Quantum Digital Humanities entwickelt wurde, erweist sich dabei als ein zentrales System. Diese Arbeit konzentriert sich darauf, QHAna durch die Integration von Variationsalgorithmen zu verbessern und den Weg für Variations-Quantenalgorithmen in modularer Weise zu ebnen. Ziel ist es, Komponenten von Variationsalgorithmen als eigenständige, austauschbare Plugins zu kapseln, um Anpassungsfähigkeit zu gewährleisten und den Endnutzern die Möglichkeit zu geben, die Algorithmen nach ihren wünschen zu konfigurieren. Die Arbeit befasst sich mit Herausforderungen wie robuster Plugin-Kommunikation und intuitiver Benutzererfahrung und untersucht die Architektur, Implementierung und Evaluierung dieses modularen Rahmens. Über die unmittelbare Anwendung auf Variations-Quantenalgorithmen hinaus bilden die hier gewonnenen Erkenntnisse und Methoden eine Grundlage für zukünftige modulare Systemdesigns im Bereich des Quanteninformatik.