Quantum Broker: distribuzione delle computazioni quantistiche in base ai requisiti QoS

Abstract degli autori

La computazione quantistica accessibile via cloud ha reso disponibili unità di elaborazione quantistica (QPU) eterogenee attraverso piattaforme di fornitori che differiscono per tecnologia dei qubit, stato di calibrazione, comportamento delle code e modello tariffario. Questa eterogeneità fa della gestione dell’esecuzione una questione di ingegneria quantistica: un circuito quantistico può essere eseguito su diversi backend, ma i costi, la latenza, la fedeltà e la riproducibilità che ne risultano dipendono dalla scelta dei backend e da come vengono ripartiti gli shot di misura. Questo articolo presenta Quantum Broker, un framework open source e indipendente dai fornitori per gestire l’esecuzione quantistica in base ai requisiti di qualità del servizio (QoS). Il framework realizza la distribuzione per shot sfruttando l’indipendenza statistica degli shot di misura quantistica per eseguire un singolo circuito su più QPU eterogenee, secondo vincoli e obiettivi di ottimizzazione definiti dall’utente. Combina un’architettura di esecuzione modulare, strategie intercambiabili di profilazione dei backend e Quantum QoS Specification Language (QQSpec), un linguaggio dichiarativo per esprimere i requisiti QoS. La pianificazione della distribuzione si avvale di due backend di risoluzione: un risolutore di programmazione lineare mista intera (MILP) e un risolutore non lineare basato sull’annealing duale. Esperimenti condotti su circuiti quantistici benchmark e backend di simulazione rumorosi mostrano che Quantum Broker può produrre piani di distribuzione attuabili che tengono conto dei requisiti QoS in presenza di backend eterogenei e può migliorare il rispetto di tali requisiti rispetto alle soluzioni di riferimento basate su un solo backend o su più backend impiegati senza una strategia elaborata. I risultati evidenziano anche un compromesso pratico tra il tempo necessario per pianificare la distribuzione e la qualità della distribuzione stessa: il risolutore non lineare produce ripartizioni di qualità superiore a fronte di un maggiore costo computazionale. Nel complesso, Quantum Broker offre un livello estensibile di gestione dell’esecuzione per sviluppare software quantistico portabile, riproducibile e attento ai requisiti QoS su infrastrutture cloud quantistiche frammentate.