تكامل الحوسبة الكمومية مع التطبيقات الكلاسيكية
تواجه الحوسبة الكلاسيكية تحديات متزايدة مع مشاكل الحوسبة الأكثر تعقيدا اليوم - حتى على نطاق أقوى أجهزة الكمبيوتر الفائقة لدينا. تحتفظ أجهزة الكمبيوتر الكمومية بالوعد بتوسيع قدرات الحوسبة بشكل كبير. من خلال استغلال خصائص فيزياء المقدار لإجراء الحسابات، فإنها توفر سرعات أسية لبعض أنواع المشاكل. على سبيل المثال، تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية بشكل استثنائي بشكل جيد مع المشاكل التي تتطلب حساب عدد كبير من المجموعات المحتملة التي غالبا ما توجد في سيناريوهات التحسين أو المحاكاة أو التعلم الآلي.
ومع ذلك، فإن مكونات الحوسبة الكمومية لها نموذج تشغيل مختلف عن نموذج تشغيل البرامج الكلاسيكية. عادة ما يكون هناك مكون واحد أو أكثر من مكونات الحوسبة الكلاسيكية التي تنسق تنفيذ المكونات الكمومية. يتضمن هذا التنسيق الأنشطة التالية:
- إعداد بيانات الإدخال
- إرسال وظائف الحوسبة الكمومية إلى بيئة كمومية مُستهدفة
- مراقبة تنفيذ المهمة
- ما بعد المعالجة لنتائج الوظائف
يُمكنك دمج هذا التنسيق مع التطبيقات الكلاسيكية بإحدى طريقتين:
- التكامل عبر الاقتران المحكم. يتم دمج منطق تنسيق الموارد الكمومية في المكون أو المكونات الكلاسيكية.
- التكامل عبر الاقتران غير المحكم. يتم عرض منطق تنسيق الموارد الكمومية كواجهة برمجة تطبيقات يمكن استدعاؤها بواسطة مكونات البرامج الكلاسيكية المختلفة.
توضح هذه المقالة كيفية تنفيذ التطبيقات الكمومية في كل من هذه التصاميم. يستخدم كل تنفيذ Azure Quantum كمحرك حوسبة كمومية ولكنها تختلف قليلا في جوانب أخرى كما هو مفصل أدناه.
نهج مقترن بإحكام
حالات الاستخدام المحتملة
يفضل النهج المقترن بإحكام في هذه الحالات:
- يمتلك فريق واحد كل من التعليمات البرمجية الكمومية والتعليمة البرمجية الكلاسيكية، ويتم دمج التعليمات البرمجية.
- تشترك مكونات المقدار في نفس دورة حياة المكونات الكلاسيكية.
- يقتصر استخدام المكونات الكمومية على تطبيق واحد أو مجموعة صغيرة من التطبيقات ذات الصلة.
- تمثل الوظيفة الكمومية حلًا متخصصًا (على سبيل المثال، محاكاة جزيئية) لن يستخدمها سوى تطبيق كلاسيكي متخصص واحد.
- الخوارزمية المنفذة هي مجموعة كمومية كلاسيكية بطبيعتها، على سبيل المثال، التباين الكمومي Eigensolvers (VQE) وخوارزميات التحسين التقريبي الكمومي (QAOA).
بناء الأنظمة
قم بتنزيل ملف PowerPoint لهذا التصميم.
تدفق البيانات
- يقوم المستخدم الذي قام بتسجيل الدخول بتشغيل تنفيذ المهمة الكمومية عبر تطبيق عميل كلاسيكي.
- يضع تطبيق العميل بيانات الإدخال في Azure Storage.
- يرسل تطبيق العميل المهمة إلى مساحة عمل Azure Quantum، مع تحديد هدف التنفيذ أو الأهداف. يحدد العميل مساحة العمل عبر البيانات المُخزنة في Azure Key Vault ويصادق على مساحة العمل عبر الهوية المدارة.
- يقوم موفر المقدار بتشغيل المهمة على بيئة مُستهدفة.
- يراقب تطبيق العميل تنفيذ المهمة عن طريق التحقق من حالة الوظيفة.
- بمجرد انتهاء المهمة الكمومية، يحصل تطبيق العميل على نتيجة الحساب من التخزين.
ينفذ سير العمل هذا نمط Request-Reply غير المتزامن والخطوات المُحددة لدورة حياة وظيفة Azure Quantum.
المكونات
- يوفر Azure Quantum مساحة عمل، يمكن الوصول إليها من مدخل Microsoft Azure، للأصول المرتبطة بتشغيل الوظائف الكمومية على أهداف مختلفة. يتم تشغيل الوظائف على أجهزة محاكاة المقدار أو الأجهزة الكمومية، اعتمادا على الموفر الذي تختاره.
- ينسق معرف Microsoft Entra مصادقة المستخدم ويساعد على حماية الوصول إلى مساحة عمل Azure Quantum.
- Key Vault يحمي المفاتيح والأسرار الأخرى ويحافظ عليها، مثل اسم مساحة عمل Azure Quantum.
- Azure Storage يوفر تخزينًا لبيانات الإدخال والنتائج من الموفر الكمومي.
التوافر
يعتمد توفر وظيفة الحوسبة الكمومية بشكل كبير على توفر قاعدة تثبيت موفر الحوسبة الكمومية. اعتمادًا على هدف الحساب، قد يواجه تطبيق العميل الكلاسيكي تأخيرات طويلة أو عدم توفر الهدف.
بالنسبة لخدمات Azure المُحيطة، تنطبق اعتبارات التوفر المعتادة:
- استخدم خيارات التكـرار Key Vault.
- إذا لزم الأمر، فكّر في استخدام خيارات النسخ المتماثل في التخزين.
الأمان
على عكس بنية البديل المقترن بشكل غير محكم، تسـتند البنية المعروضة هنا إلى افتراض أن عميل واحد فقط يصل إلى مساحة عمل Azure Quantum. يؤدي هذا السيناريو إلى التكوينات التالية:
- نظرًا لأن العميل معروف، يمكنك تنفيذ المصادقة عبر الهوية المدارة، المقترنة بالتطبيق.
- يمكنك تنفيذ تقييد الطلبات والتخزين المؤقت للنتائج في العميل نفسه.
بشكل عام، ضع في اعتبارك تطبيق أنماط التصميم النموذجية للأمان عندما يكون ذلك مناسبًا.
نهج مقترن بشكل غير محكم
حالات الاستخدام المحتملة
يفضل النهج المقترن بشكل غير محكم في هذه الحالات:
- لديك فريق مخصص من المتخصصين الكموميين الذين يقدمون وظائف المقدار مركزيا للفرق الأخرى ويتم تطوير المكونات الكمومية بشكل مستقل عن أي مكونات عميل كلاسيكية.
- تمثل الوظيفة الكمومية حلا عاما (على سبيل المثال، جدولة الوظائف) يمكن إعادة استخدامه بواسطة تطبيقات كلاسيكية متعددة.
بناء الأنظمة
قم بتنزيل ملف PowerPoint لهذا التصميم.
تدفق البيانات
- يقوم المُستخدم الذي قام بتسجيل الدخول بتشغيل تنفيذ المهمة الكمومية عبر تطبيق كلاسيكي.
- يستدعي التطبيق الكلاسيكي واجهة برمجة تطبيقات الوظيفة المُخصصة لإرسال الوظيفة.
- تقوم بوابة API بتشغيل Azure Function لتقديم الوظيفة، والتي تُمرر بيانات إدخال الوظيفة.
- تضع الدالة بيانـات الإدخال في Azure Storage.
- ترسل الدالة المُهمة إلى مساحة عمل Azure Quantum، مع تحديد هدف التنفيذ أو الأهداف. تحدد الدالة مساحة العمل عبر البيانات المُخزنة في Azure Key Vault وتصادق على مساحة العمل عبر الهوية المدارة.
- يقوم موفر المقدار بتشغيل المهمة على بيئة مُستهدفة.
- يراقب تطبيق العميل تنفيذ المُهمة عن طريق التحقق من حالة الوظيفة عبر استدعاءات واجهة برمجة التطبيقات.
- تراقب بوابة API تنفيذ المهمة عن طريق التحـقق من حالة الوظيفة من موفر المقدار.
- عند انتهاء المُهمة، يتم تخزين نتائج الحساب في Azure Storage. يحصل تطبيق العميل على النتائج باستخدام واجهة برمجة التطبيقات التي يتم تنفيذها عبر Azure Function.
ينفذ سير العمل هذا نمط Request-Reply غير المتزامن والخطوات المُحددة لدورة حياة وظيفة Azure Quantum.
المكونات
- يوفر Azure Quantum مساحة عمل، يمكن الوصول إليها من مدخل Microsoft Azure، للأصول المرتبطة بتشغيل الوظائف الكمومية على أهداف مختلفة. يتم تشغيل الوظائف على أجهزة محاكاة المقدار أو الأجهزة الكمومية، اعتمادا على الموفر الذي تختاره.
- ينسق معرف Microsoft Entra مصادقة المستخدم ويساعد على حماية الوصول إلى مساحة عمل Azure Quantum.
- APIM هي بوابة واجهة برمجة التطبيقات التي تعرض نقاط نهاية واجهة برمجة التطبيقات مركزيا لإدارة الوظائف الكمومية.
- تستخدم Azure Functions لإعادة توجيه طلبات العميل إلى الموارد الكمومية المُناسبة.
- يحمي Azure Key Vault المفاتيح والأسرار الأخرى ويحافظ عليها، مثل اسم مساحة عمل Azure Quantum.
- Azure Storage يوفر تخزينًا لبيانات الإدخال والنتائج من الموفر الكمومي.
التوافر
يعتمد توفر وظيفة الحوسبة الكمومية بشكل كبير على توفر قاعدة تثبيت موفر الحوسبة الكمومية. اعتمادًا على هدف الحساب، قد يواجه تطبيق العميل الكلاسيكي تأخيرات طويلة أو عدم توفر الهدف.
بالنسبة لخدمات Azure المُحيطة، تنطبق اعتبارات التوفر المعتادة:
- للحصول على قابلية وصول عالية، يمكنك توزيعAPIM في مناطق أو مناطق متعددة.
- إذا كنت تستخدم النسخ المتماثل الجغرافي، يمكنك توفير Azure Functions في مناطق متعددة.
- استخدم خيارات التكـرار Key Vault.
- إذا لزم الأمر، فكّر في استخدام خيارات النسخ المتماثل في التخزين.
الأداء وقابلية التوسع
يعتمد أداء التطبيق على توفر وأداء أهداف الحوسبة الكمومية الأساسية. للحصول على معلومات حول أداء المكونات الكلاسيكية وقابليتها للتوسع، راجع أنماط التصميم النموذجية لقابلية التوسعوقائمة التحقق من كفاءة الأداء.
الأمان
على عكس بنية البديل المقترن بإحكام، تسـتند البنية المعروضة هنا إلى افتراض أن العديد من العملاء يصلون إلى مساحة عمل Azure Quantum عبر واجهة برمجة التطبيقات. يؤدي هذا السيناريو إلى التكوينات التالية:
- يجب على العملاء المصادقة على API. يُمكنك تنفيذ هذه المصادقة باستخدام نهج المصادقة.
- يُمكنك تنفيذ مصادقة Azure Functions عبر الهويات المدارة المقترنة بالوظائف. يُمكنك استخدام هذه الهويات للمصادقة على مساحة عمل Azure Quantum.
- يصل عملاء متعددون إلى API. يمكنك تنفيذ تقييد الطلب باستخدام تقيـيد طلب APIM لحماية النهاية الخلفية الكمومية والحد من استخدام الموارد الكمومية.
- اعتمادًا على نمط الطلب، قد تتمكن من تنفيذ التخزين المؤقت لنتائج الحوسبة الكمومية باستخدام نهج التخزين المؤقت لـ APIM.
بشكل عام، ضع في اعتبارك تطبيق أنماط التصميم النموذجية للأمان عندما يكون ذلك مناسبًا.
الميزات الشائعة
الميزات التالية شائعة لكل من نماذج التنفيذ المقترنة بإحكام وغير المقترنة بشكل فضفاض
البدائل
البنى المعروضة هنا مخصصة لمشاكل الأعمال التي تتطلب موارد الحوسبة الكمومية لمهام الحوسبة الخاصة بها. بالنسبة لبعض تحديات الحوسبة، قد تكون الخدمات الحالية المُصممة لأداء الحوسبة عالية الأداء أو توفير وظائف الذكاء الاصطناعي بديلًا لذلك.
الاعتبارات
ستكون بعض أهداف Azure الكمومية (خاصة الأجهزة الكمومية) موردا محدودا في المستقبل المنظور. يتم تنفيذ الوصول إلى هذه الموارد عبر آلية قائمة الانتظار. عند إرسال مهمة كمومية إلى Azure Quantum، تتم إضافة هذه المهمة إلى قائمة انتظار الوظائف. سيتم تنفيذ المهمة، بمجرد اكتمال الهدف معالجة إدخالات قائمة الانتظار السابقة. يمكنك الحصول على وقت الانتظار المتوقع عن طريق سرد الأهداف المتاحة. لحساب وقت الاستجابة الكامل، تحتاج إلى إضافة الوقت المستغرق في انتظار مورد متاح إلى وقت تنفيذ المهمة.
الأداء وقابلية التوسع
يعتمد أداء التطبيق على توفر وأداء أهداف الحوسبة الكمومية الأساسية. للحصول على معلومات حول أداء المكونات الكلاسيكية وقابليتها للتوسع، راجع أنماط التصميم النموذجية لقابلية التوسعوقائمة التحقق من كفاءة الأداء.
مرونة
نظرا لأن البيئات المستهدفة الكمومية مثل Azure Quantum توفر عادة تصحيحا محدودا للخطأ (يقتصر على المعالج الكمي في حالة Azure Quantum)، فقد لا تزال تحدث أخطاء أخرى مثل مهلة الجهاز الكمومي لذلك يوصى بمراقبة تنفيذ المهمة حتى تتمكن من إعلام المستخدم بحالة الوظيفة. عندما يفشل تنفيذ المهمة بسبب خطأ عابر، نفّذ نمط إعادة المحاولة. قم بإرسال المهام عبر مكالمات غير متزامنة، مع الاقتراع للنتيجة، لتجنب حظر العميل المتصل دون داع.
نظرا لأن موارد الحوسبة الكمومية محدودة عادة، يجب أن تنظر توقعات المرونة في هذا العامل. وعلى هذا النحو، قد توفر الاقتراحات المقدمة في هذه المادة تدابير إضافية للمرونة.
DevOps
يمكن تحقيق دمج الوظائف الكمومية في مسارات CI/CD الكلاسيكية باستخدام Azure DevOps مع تغييرات طفيفة في التصميم النموذجي. يوضح التصميم أدناه سير عمل مسار DevOps الذي يمكن تطبيقه على البنيات المقترنة بإحكام والمقترنة بشكل فضفاض.
بناء الأنظمة
قم بتنزيل ملف PowerPoint لهذا التصميم.
تدفق البيانات
- يغير المطور التعليمة البرمجية المصدر لمكونات التطبيق.
- يتم الالتزام بالتغييرات في مستودع التعليمة البرمجية المصدر.
- تؤدي التغييرات في التعليمة البرمجية الكمية إلى تشغيل البنية الأساسية لبرنامج ربط العمليات التجارية لبنية الكم. تتحقق البنية الأساسية لبرنامج ربط العمليات التجارية للبنية من التعليمة البرمجية، وتحولها برمجيا، وتقدر الموارد المطلوبة وتشغل الخوارزمية على جهاز محاكاة.
- يتم إرسال الخوارزمية الكمية المحولة برمجيًا إلى بيئة كمية للاختبار.
- تؤدي التغييرات إلى تشغيل البنية الأساسية لبرنامج ربط العمليات التجارية للمكونات الكلاسيكية. تتحقق البنية الأساسية لبرنامج ربط العمليات التجارية من التعليمة البرمجية، وتحولها برمجيًا، وتشغل اختبارات الوحدة والتكامل.
- يؤدي التحويل البرمجي والاختبارات الناجحة إلى تشغيل بنية إصدار أساسية لبرنامج ربط العمليات التجارية. توفر البنية الأساسية لبرنامج ربط العمليات التجارية أولًا بيئة Azure عن طريق نشر قوالب Azure Resource Manager المخزنة في المستودع (البنية الأساسية كتعليمة برمجية).
- يتم نشر البيانات الاصطناعية للتطبيق الكلاسيكي المحول برمجيًا إلى Azure. يتم إرسال الوظائف الكمية إلى مساحة عمل كمية أثناء وقت التشغيل.
- يراقب Application Insights سلوك وقت التشغيل والصحة والأداء ومعلومات الاستخدام.
- يتم تحديث عناصر التراكم حسب الحاجة، اعتمادًا على نتائج المراقبة.
- يستخدم المطور Application Insights لمعرفة الملاحظات حول التطبيق وتحسينه.
المكونات
يستخدم هذا الحل أدوات DevOps التالية:
- Azure Repos: يوفر مستودعات Git خاصة مستضافة على السحابة. يُستخدم هنا لتخزين التعليمة البرمجية الكمية والكلاسيكية وقوالب Azure Resource Manager المستخدمة لتوفير البيئة.
- تمكنك Azure Pipelines من البناء والاختبار والنشر باستمرار على السحابة. هنا، يتم استخدامها لتنفيذ CI/CD، بما في ذلك توفير البيئة قبل توزيع التعليمة البرمجية.
كبديل، يمكنك استخدام مستودعات وإجراءات GitHub لتنفيذ عمليات CI/CD.
يستخدم الحل المكونات التالية:
- ينسق تطبيق العميل الوظيفة الكمية. يمكنك تنفيذ التكامل باستخدام نهج مقترن بإحكام أو نهج مقترن بشكل فضفاض.
- يوفر Azure Quantumمساحة عمل للأصول المرتبطة بتشغيل تطبيقات الحوسبة الكمية. يتم تشغيل الوظائف على أجهزة محاكاة المقدار أو الأجهزة الكمومية، اعتمادا على الموفر الذي تختاره.
- ينسق معرف Microsoft Entra مصادقة المستخدم ويحمي الوصول إلى مساحة عمل Azure Quantum.
- Azure Key Vault يحمي المفاتيح والأسرار الأخرى ويحافظ عليها، مثل اسم مساحة عمل Azure Quantum.
- يحتفظ تخزين Azure ببيانات الإدخال والإخراج للوظيفة الكمية.
- Application Insights يراقب التطبيق، ويكشف عن الحالات غير المألوفة للتطبيق مثل الأداء الضعيف والأعطال، ويرسل القياس عن بعد إلى مدخل Microsoft Azure.
تحسين التكلفة
تعتمد التكلفة الإجمالية لهذا الحل على هدف الحوسبة الكمومية الذي تحدده لتشغيل الوظيفة الكمومية. يعد حساب التكاليف المقدرة للمكونات الكلاسيكية أمرا مباشرا. يمكنك استخدام Azure pricing calculator.
بالنسبة لخدمة Azure Quantum، ضع في اعتبارك أنه يمكن استهلاك موفري الحوسبة الكمومية عبر عرض Azure Marketplace. يعتمد التسعير على نـوع المورد (المحاكي أو الأجهزة) وSKU واستخدامك. للحصول على التفاصيل، راجع الصفحة المرجعية للموفر المطلوب للسيناريو الخاص بك. يتم سرد هذه الصفحات المرجعية في مُوفري الحوسبة الكمومية على Azure Quantum.
المساهمون
تحتفظ Microsoft بهذه المقالة. تمت كتابته في الأصل من قبل المساهم التالي.
الكاتب الرئيسي:
- Holger Sirtl | مهندس تقني أول في مركز تكنولوجيا Microsoft
لمشاهدة ملفات تعريف LinkedIn غير العامة، سجل الدخول إلى LinkedIn.
الخطوات التالية
- للحصول على نظرة عامة حول Microsoft Quantum، وهو نظام بيئي متكامل للحوسبة الكمية مفتوح السحابة، راجع Microsoft Quantum وأكمل مسار التعلم أسس الحوسبة الكمية.
- لمزيد من المعلومات حول خدمة Azure Quantum، راجع Azure Quantum.
- للحصول على معلومات عامة حول إدارة وظائف Azure Quantum، راجع العمل مع وظائف Azure Quantum.
- للحصول على معلومات حول تشغيل الخوارزميات على الأجهزة الكمومية، راجع الوحدة النمطية تشغيل الخوارزميات على الأجهزة الكمومية باستخدام Azure Quantum.