Intégration de l’informatique quantique à des applications classiques

L’informatique classique est de plus en plus contestée avec les problèmes de calcul les plus complexes d’aujourd’hui , même à l’échelle de nos supercomputers les plus puissants. Les ordinateurs quantiques tiennent la promesse d’étendre considérablement nos capacités de calcul. En exploitant les propriétés de la physique quantique pour effectuer des calculs, ils fournissent des accélérations exponentielles pour certains types de problèmes. Par exemple, les ordinateurs quantiques font exceptionnellement bien avec des problèmes qui nécessitent le calcul d’un grand nombre de combinaisons possibles souvent trouvées dans les scénarios d’optimisation, de simulation ou de Machine Learning.

Toutefois, les composants de l’informatique quantique ont un modèle d’exploitation différent de celui du logiciel classique. Il existe généralement un ou plusieurs composants de calcul classiques qui orchestrent l’exécution des composants quantiques. Cette orchestration inclut les activités suivantes :

• Préparation des données d’entrée
• Soumission de travaux de calcul quantique à un environnement quantique cible
• Surveillance de l’exécution du travail
• Post-traitement des résultats du travail

Vous pouvez intégrer cette orchestration à des applications classiques de l’une des deux manières suivantes :

• Intégration via un couplage serré. La logique pour l’orchestration des ressources quantiques est intégrée au composant ou aux composants classiques.
• Intégration via un couplage libre. La logique pour l’orchestration des ressources quantiques est exposée en tant qu’API qui peut être appelée par différents composants logiciels classiques.

Cet article explique comment implémenter des applications quantiques dans chacune de ces conceptions. Chaque implémentation utilise Azure Quantum comme moteur de calcul quantique, mais elles diffèrent légèrement dans d’autres aspects, comme indiqué ci-dessous.

Approche étroitement couplée

Cas d’usage potentiels

L’approche étroitement couplée est préférée dans les cas suivants :

• Une équipe possède à la fois le code quantique et le code classique, et le code est intégré.
• Les composants quantiques partagent le même cycle de vie que les composants classiques.
• L’utilisation des composants quantiques est limitée à une seule application ou à un petit ensemble d’applications associées.
• Le travail quantique représente une solution spécialisée (par exemple, une simulation moléculaire) qui ne sera utilisée que par une application classique spécialisée.
• L’algorithme implémenté est classique quantique hybride par nature, par exemple, les Eigensolvers quantiques variationnels (VQE) et les algorithmes d’optimisation approximative quantique (QAOA).

Architecture

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Dataflow

1. Un utilisateur connecté déclenche l’exécution d’un travail quantique via une application cliente classique.
2. L’application cliente place les données d’entrée dans stockage Azure.
3. L’application cliente envoie le travail à un espace de travail Azure Quantum, en spécifiant la cible ou les cibles d’exécution. Le client identifie l’espace de travail via des données stockées dans Key Vault et s’authentifie auprès de l’espace de travail via identité managée.
4. Un fournisseur quantique exécute le travail sur un environnement cible.
5. L’application cliente surveille l’exécution du travail en interrogeant l’état du travail.
6. Dès que le travail quantique se termine, l’application cliente obtient le résultat de calcul à partir du stockage.

Ce flux de travail implémente le modèle de Request-Reply asynchrone et les étapes définies pour le cycle de vie travail Azure Quantum.

Composants

• Azure Quantum fournit un espace de travail , accessible à partir du portail Azure, pour les ressources associées à l’exécution de travaux quantiques sur différentes cibles. Les travaux sont exécutés sur des simulateurs quantiques ou du matériel quantique, selon le fournisseur que vous choisissez.
• Microsoft Entra ID coordonne l’authentification des utilisateurs et aide à protéger l’accès à l’espace de travail Azure Quantum.
• Key Vault protège et gère le contrôle des clés et d’autres secrets, comme le nom de l’espace de travail Azure Quantum.
• stockage Azure fournit un stockage pour les données d’entrée et les résultats du fournisseur quantique.

Considérations

Ces considérations implémentent les piliers d’Azure Well-Architected Framework, qui est un ensemble d’ensembles guidants qui peuvent être utilisés pour améliorer la qualité d’une charge de travail. Pour plus d’informations, consultez Microsoft Azure Well-Architected Framework.

Fiabilité

La fiabilité garantit que votre application peut respecter les engagements que vous prenez à vos clients. Pour plus d’informations, consultez liste de vérification de la révision de conception pour lede fiabilité.

La disponibilité de la fonctionnalité de calcul quantique dépend fortement de la disponibilité et de l’installation de la base du fournisseur d’informatique quantique . Selon la cible de calcul, l’application cliente classique peut rencontrer des retards longs ou une indisponibilité de la cible.

Pour les services Azure environnants, les considérations de disponibilité habituelles s’appliquent :

• Utilisez les options de redondance Key Vault.
• Si nécessaire, envisagez d’utiliser les options de réplication dans stockage.

Sécurité

La sécurité offre des garanties contre les attaques délibérées et l’abus de vos données et systèmes précieux. Pour plus d’informations, consultez liste de vérification de la révision de conception pour security.

Contrairement à l’architecture du alternative faiblement couplée, l’architecture présentée ici est basée sur l’hypothèse qu’un seul client accède à l’espace de travail Azure Quantum. Ce scénario entraîne les configurations suivantes :

• Étant donné que le client est connu, vous pouvez implémenter l’authentification via identité managée, associée à l’application.
• Vous pouvez implémenter la limitation des requêtes et la mise en cache des résultats dans le client lui-même.

En général, envisagez d’appliquer les modèles de conception classiques pour les de sécurité le cas échéant.

Approche faiblement couplée

Cas d’usage potentiels

L’approche faiblement couplée est préférée dans les cas suivants :

• Vous disposez d’une équipe dédiée de spécialistes quantiques qui fournissent de manière centralisée des fonctionnalités quantiques à d’autres équipes et les composants quantiques sont développés indépendamment de tous les composants clients classiques.
• Le travail quantique représente une solution générique (par exemple, planification des travaux) qui peut être réutilisée par plusieurs applications classiques.

Architecture

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Dataflow

1. Un utilisateur connecté déclenche l’exécution d’un travail quantique via une application classique.
2. L’application classique appelle l’API de travail personnalisée pour envoyer le travail.
3. La passerelle API déclenche la fonction Azure de soumission de travaux, qui transmet les données d’entrée de travail.
4. La fonction place les données d’entrée dans Stockage Azure.
5. La fonction envoie le travail à un espace de travail Azure Quantum, en spécifiant la cible ou les cibles d’exécution. La fonction identifie l’espace de travail via les données stockées dans Azure Key Vault et s’authentifie auprès de l’espace de travail via identité managée.
6. Un fournisseur quantique exécute le travail sur un environnement cible.
7. L’application cliente surveille l’exécution du travail en interrogeant l’état du travail via des appels d’API.
8. La passerelle d’API surveille l’exécution du travail en interrogeant l’état du travail à partir du fournisseur quantique.
9. Une fois le travail terminé, les résultats de calcul sont stockés dans stockage Azure. L’application cliente obtient les résultats à l’aide d’une API implémentée via la fonction Azure.

Ce flux de travail implémente le modèle de Request-Reply asynchrone et les étapes définies pour le cycle de vie travail Azure Quantum.

Composants

• Azure Quantum fournit un espace de travail , accessible à partir du portail Azure, pour les ressources associées à l’exécution de travaux quantiques sur différentes cibles. Les travaux sont exécutés sur des simulateurs quantiques ou du matériel quantique, selon le fournisseur que vous choisissez.
• Microsoft Entra ID coordonne l’authentification des utilisateurs et aide à protéger l’accès à l’espace de travail Azure Quantum.
• gestion des API est la passerelle d’API qui expose de manière centralisée les points de terminaison d’API pour la gestion des travaux quantiques.
• Azure Functions est utilisé pour transférer les demandes clientes aux ressources quantiques appropriées.
• Azure Key Vault protège et gère le contrôle des clés et d’autres secrets, comme le nom de l’espace de travail Azure Quantum.
• stockage Azure fournit un stockage pour les données d’entrée et les résultats du fournisseur quantique.

Fiabilité

La disponibilité de la fonctionnalité de calcul quantique dépend fortement de la disponibilité et de l’installation de la base du fournisseur d’informatique quantique . Selon la cible de calcul, l’application cliente classique peut rencontrer des retards longs ou une indisponibilité de la cible.

Pour les services Azure environnants, les considérations de disponibilité habituelles s’appliquent :

• Pour la haute disponibilité, vous pouvez déployer Gestion des API sur plusieurs zones ou régions.
• Si vous utilisez la géoréplication, vous pouvez approvisionner azure Functions dans plusieurs régions.
• Utilisez les options de redondance Key Vault.
• Si nécessaire, envisagez d’utiliser les options de réplication dans stockage.

Sécurité

Contrairement à l’architecture de la alternative étroitement couplée, l’architecture présentée ici est basée sur l’hypothèse que plusieurs clients accèdent à l’espace de travail Azure Quantum via l’API. Ce scénario entraîne les configurations suivantes :

• Les clients doivent s’authentifier auprès de l’API. Vous pouvez implémenter cette authentification à l’aide de stratégies d’authentification.
• Vous pouvez implémenter l’authentification des fonctions Azure via identités managées associées aux fonctions. Vous pouvez utiliser ces identités pour vous authentifier auprès de l’espace de travail Azure Quantum.
• Plusieurs clients accèdent à l’API. Vous pouvez implémenter la limitation des demandes à l’aide de de limitation des demandes gestion des API pour protéger le back-end quantique et limiter l’utilisation des ressources quantiques.
• Selon le modèle de requête, vous pouvez implémenter la mise en cache des résultats de l’informatique quantique à l’aide de stratégies de mise en cache gestion des API.

En général, envisagez d’appliquer les modèles de conception classiques pour les de sécurité le cas échéant.

Efficacité des performances

L’efficacité des performances est la capacité de votre charge de travail à mettre à l’échelle pour répondre aux demandes qu’elle lui impose par les utilisateurs de manière efficace. Pour plus d’informations, consultez liste de vérification de la révision de conception pour l’efficacité des performances.

Les performances des applications dépendent de la disponibilité et des performances des cibles d’informatique quantique sous-jacentes. Pour plus d’informations sur les performances et l’extensibilité des composants classiques, passez en revue les modèles de conception classiques pour la scalabilité et la liste de contrôle d’efficacité des performances .

Fonctionnalités courantes

Les fonctionnalités suivantes sont communes aux modèles d’implémentation étroitement couplés et faiblement couplés

Alternatives

Les architectures présentées ici concernent les problèmes métier qui nécessitent des ressources de calcul quantique pour leurs tâches de calcul. Pour certains défis de calcul, les services existants conçus pour effectuer calcul hautes performances ou fournir fonctionnalités IA peuvent être une alternative.

Considérations

Certaines des cibles quantiques Azure (en particulier le matériel quantique) seront une ressource limitée pour un avenir prévisible. L’accès à ces ressources est implémenté via un mécanisme de mise en file d’attente. Lorsque vous envoyez un travail quantique à Azure Quantum, ce travail est ajouté à une file d’attente de travaux. Le travail est exécuté une fois que la cible a terminé le traitement des entrées de file d’attente antérieures. Vous pouvez obtenir le délai d’attente attendu en répertorier les cibles disponibles. Pour calculer le temps de réponse complet, vous devez ajouter le temps passé en attente d’une ressource disponible au temps d’exécution du travail.

Fiabilité

Comme les environnements cibles quantiques comme Azure Quantum fournissent généralement une correction d’erreur limitée (limitée au processeur quantique dans le cas d’Azure Quantum), d’autres erreurs telles que le délai d’expiration de machine quantique peuvent toujours se produire. Il est donc recommandé de surveiller l’exécution du travail afin de pouvoir informer l’utilisateur sur l’état du travail. Lorsque l’exécution du travail échoue en raison d’une erreur temporaire, implémentez un modèle de nouvelle tentative . Envoyez les travaux via des appels asynchrones, avec interrogation pour le résultat, afin d’éviter de bloquer inutilement le client appelant.

Comme les ressources de calcul quantique sont généralement limitées, les attentes en matière de résilience doivent tenir compte de ce facteur. Par conséquent, les suggestions proposées dans cet article peuvent fournir des mesures supplémentaires de résilience.

Optimisation des coûts

L’optimisation des coûts consiste à examiner les moyens de réduire les dépenses inutiles et d’améliorer l’efficacité opérationnelle. Pour plus d’informations, consultez liste de vérification de la révision de conception pour l’optimisation des coûts.

Le coût global de cette solution dépend de la cible d’informatique quantique que vous sélectionnez pour exécuter le travail quantique. Le calcul des coûts estimés pour les composants classiques est simple. Vous pouvez utiliser la calculatrice de prix Azure .

Pour le service Azure Quantum, considérez que les fournisseurs de calcul Quantum peuvent être consommés via une offre de la Place de marché Azure. La tarification dépend du type de ressource (simulateur ou matériel), de la référence SKU et de votre utilisation. Pour plus d’informations, consultez la page de référence du fournisseur nécessaire pour votre scénario. Ces pages de référence sont répertoriées dans fournisseurs d’informatique quantique sur Azure Quantum.

Excellence opérationnelle

L’excellence opérationnelle couvre les processus d’exploitation qui déploient une application et la conservent en production. Pour plus d’informations, consultez liste de vérification de la révision de conception pour l’excellence opérationnelle.

L’incorporation de travaux quantiques dans des pipelines CI/CD classiques peut être effectuée à l’aide d’Azure DevOps avec des modifications mineures apportées à une conception classique. La conception ci-dessous illustre un flux de travail de pipeline DevOps qui peut être appliqué aux architectures étroitement couplées et faiblement couplées.

Architecture

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Dataflow

1. Le développeur modifie le code source des composants d’application.
2. Les modifications sont validées dans le référentiel de code source.
3. Les modifications apportées au code quantique déclenchent le pipeline de génération quantique. Le pipeline de build extrait le code, le compile, estime les ressources requises et exécute l’algorithme sur un simulateur.
4. L’algorithme quantique compilé est soumis à un environnement quantique à des fins de test.
5. Les modifications déclenchent un pipeline de build pour les composants classiques. Le pipeline extrait le code, le compile et exécute des tests unitaires et d’intégration.
6. La compilation et les tests réussis déclenchent un pipeline de mise en production. Le pipeline approvisionne d’abord l’environnement Azure en déployant les modèles Azure Resource Manager stockés dans le référentiel (infrastructure en tant que code).
7. Les artefacts d’application classiques compilés sont déployés sur Azure. Les travaux quantiques sont envoyés à un espace de travail quantique pendant l’exécution.
8. Application Insights surveille le comportement du runtime, l’intégrité, les performances et les informations d’utilisation.
9. Les éléments de backlog sont mis à jour selon les besoins, en fonction des résultats de surveillance.
10. Le développeur utilise Application Insights pour les commentaires et l’optimisation des applications.

Composants

Cette solution utilise les outils DevOps suivants :

• azure Repos fournit des dépôts Git privés hébergés dans le cloud illimités. Il est utilisé ici pour stocker le code quantique et classique et les modèles Azure Resource Manager utilisés pour approvisionner l’environnement.
• Azure Pipelines vous permet de générer, tester et déployer en continu sur le cloud. Ici, il est utilisé pour implémenter CI/CD, y compris l’approvisionnement de l’environnement avant le déploiement du code.

En guise d’alternative, vous pouvez utiliser des dépôts GitHub et des actions GitHub pour implémenter les processus CI/CD.

La solution utilise les autres composants suivants :

• Une application cliente orchestre le travail quantique. Vous pouvez implémenter l’intégration à l’aide d’un étroitement couplé ou d’une approche faiblement couplée.
• Azure Quantum fournit un espace de travail pour les ressources associées à l’exécution d’applications de calcul quantique. Les travaux sont exécutés sur des simulateurs quantiques ou du matériel quantique, selon le fournisseur que vous choisissez.
• 'ID Microsoft Entra coordonne l’authentification de l’utilisateur et protège l’accès à l’espace de travail Azure Quantum.
• Azure Key Vault protège et gère le contrôle des clés et d’autres secrets, comme le nom de l’espace de travail quantique.
• Stockage Azure contient les données d’entrée et de sortie du travail quantique.
• Application Insights surveille l’application, détecte les anomalies de l’application, telles que des performances et des défaillances médiocres, et envoie des données de télémétrie au portail Azure.

Efficacité des performances

Les performances des applications dépendent de la disponibilité et des performances des cibles d’informatique quantique sous-jacentes. Pour plus d’informations sur les performances et l’extensibilité des composants classiques, passez en revue les modèles de conception classiques pour la scalabilité et la liste de contrôle d’efficacité des performances .

Contributeurs

Cet article est géré par Microsoft. Il a été écrit à l’origine par le contributeur suivant.

Auteur principal :

• Holger Sirtl | Architecte technique senior au Centre technologique Microsoft

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Étapes suivantes

• Pour obtenir une vue d’ensemble de Microsoft Quantum, un écosystème d’informatique quantique open-cloud, consultez Microsoft Quantum et suivez les bases de l’informatique quantique parcours d’apprentissage.
• Pour plus d’informations sur le service Azure Quantum, consultez Azure Quantum.
• Pour obtenir des informations générales sur la gestion des travaux Azure Quantum, consultez Travailler avec des travaux Azure Quantum.
• Pour plus d’informations sur l’exécution d’algorithmes sur le matériel quantique, consultez le module Exécuter des algorithmes sur du matériel quantique à l’aide d’Azure Quantum.

Ressources associées

• principes d’excellence opérationnelle
• modèle de Request-Reply asynchrone
• informatique quantique faiblement couplée