Integrasi komputasi kuantum dengan aplikasi klasik

Azure Quantum

Azure Key Vault

Microsoft Entra ID

Komputasi klasik semakin tertantang dengan masalah komputasi paling kompleks saat ini - bahkan pada skala superkomputer kami yang paling kuat. Komputer Kuantum memegang janji untuk memperluas kemampuan komputasi kita secara dramatis. Dengan mengeksploitasi sifat fisika kuantum untuk melakukan komputasi, mereka memberikan percepatan eksponensial dalam menyelesaikan jenis-jenis masalah tertentu. Misalnya, komputer kuantum sangat baik dengan masalah yang memerlukan perhitungan sejumlah besar kemungkinan kombinasi yang sering ditemukan dalam skenario pengoptimalan, simulasi, atau pembelajaran mesin.

Namun, komponen komputasi kuantum memiliki model operasi yang berbeda dari perangkat lunak klasik. Biasanya ada satu atau beberapa komponen komputasi klasik yang mengatur eksekusi komponen kuantum. Orkestrasi ini mencakup aktivitas berikut:

• Persiapan data masukan
• Pengiriman tugas komputasi kuantum ke lingkungan kuantum yang ditargetkan
• Pemantauan eksekusi pekerjaan
• Pasca-pemrosesan hasil pekerjaan

Anda dapat mengintegrasikan orkestrasi ini dengan aplikasi klasik dengan salah satu dari dua cara:

• Integrasi melalui kopling yang ketat. Logika untuk orkestrasi sumber daya kuantum diintegrasikan ke dalam komponen atau komponen klasik.
• Integrasi melalui kopling longgar. Logika untuk orkestrasi sumber daya kuantum diekspos sebagai API yang dapat dipanggil oleh berbagai komponen perangkat lunak klasik.

Artikel ini menjelaskan cara menerapkan aplikasi kuantum di masing-masing desain ini. Setiap implementasi menggunakan Azure Quantum sebagai mesin komputasi kuantum tetapi sedikit berbeda dalam aspek lain seperti yang dirinci di bagian berikut.

Pendekatan yang terkait erat

Potensi kasus penggunaan

Pendekatan yang digabungkan erat lebih disukai dalam kasus ini:

• Satu tim memiliki kode kuantum dan kode klasik, dan kode terintegrasi.
• Komponen kuantum memiliki siklus hidup yang sama dengan komponen klasik.
• Penggunaan komponen kuantum terbatas pada satu aplikasi atau sekumpulan kecil aplikasi terkait.
• Pekerjaan kuantum mewakili solusi khusus (misalnya, simulasi molekuler) yang hanya digunakan oleh satu aplikasi klasik khusus.
• Algoritma yang diimplementasikan bersifat klasik kuantum hibrid, misalnya, Kuantum Variasional Eigensolver (VQE) dan Algoritma Pengoptimalan Perkiraan Kuantum (QAOA).

Arsitektur

diagram arsitektur

Unduh file PowerPoint untuk arsitektur ini.

Aliran Data

1. Pengguna yang masuk memicu eksekusi pekerjaan kuantum melalui aplikasi klien klasik.
2. Aplikasi klien menempatkan data input ke dalam Azure Storage.
3. Aplikasi klien mengirimkan pekerjaan ke ruang kerja Azure Quantum, menentukan target atau target eksekusi. Klien mengidentifikasi ruang kerja melalui data yang disimpan di Key Vault dan mengautentikasi ke ruang kerja melalui identitas managed.
4. Penyedia kuantum menjalankan pekerjaan pada lingkungan target.
5. Aplikasi klien memantau eksekusi pekerjaan dengan melakukan polling status pekerjaan.
6. Segera setelah pekerjaan kuantum selesai, aplikasi klien mendapatkan hasil komputasi dari Storage.

Alur kerja ini mengimplementasikan pola Request-Reply Asynchronous dan langkah-langkah yang ditentukan untuk siklus hidup pekerjaan Azure Quantum.

Komponen

• Azure Quantum menyediakan workspace, dapat diakses dari portal Azure, untuk aset yang terkait dengan menjalankan pekerjaan kuantum pada berbagai target. Pekerjaan dijalankan pada simulator kuantum atau perangkat keras kuantum, tergantung pada penyedia yang Anda pilih.
• Microsoft Entra ID mengoordinasikan autentikasi pengguna dan membantu melindungi akses ke ruang kerja Azure Quantum.
• Key Vault melindungi dan mempertahankan kontrol kunci dan rahasia lainnya, seperti nama ruang kerja Azure Quantum.
• Azure Storage menyediakan penyimpanan untuk data input dan hasil dari penyedia kuantum.

Pertimbangan

Pertimbangan ini mengimplementasikan pilar Azure Well-Architected Framework, yang merupakan sekumpulan tenet panduan yang dapat digunakan untuk meningkatkan kualitas beban kerja. Untuk informasi selengkapnya, lihat Microsoft Azure Well-Architected Framework.

Keandalan

Keandalan memastikan aplikasi Anda dapat memenuhi komitmen yang Anda buat kepada pelanggan Anda. Untuk informasi selengkapnya, lihat Daftar Periksa Tinjauan Desain untuk Keandalan.

Ketersediaan fungsionalitas komputasi kuantum sangat bergantung pada ketersediaan dan basis penginstalan penyedia komputasi kuantum . Bergantung pada target komputasi, aplikasi klien klasik mungkin mengalami penundaan panjang atau tidak tersedianya target.

Untuk layanan Azure di sekitarnya, pertimbangan ketersediaan yang biasa berlaku:

• Gunakan opsi redundansi Key Vault.
• Jika perlu, pertimbangkan untuk menggunakan opsi replikasi di Storage.

Keamanan

Keamanan memberikan jaminan terhadap serangan yang disengaja dan penyalahgunaan data dan sistem berharga Anda. Untuk informasi selengkapnya, lihat daftar periksa desain untuk tinjauan keamanan.

Tidak seperti arsitektur untuk alternatif yang terhubung longgar, arsitektur yang disajikan di sini didasarkan pada asumsi bahwa hanya satu klien yang mengakses workspace Azure Quantum. Skenario ini mengarah ke konfigurasi berikut:

• Karena klien diketahui, Anda dapat menerapkan autentikasi melalui identitas terkelola, yang terkait dengan aplikasi.
• Anda dapat menerapkan pembatasan permintaan dan penyimpanan sementara hasil pada klien itu sendiri.

Secara umum, pertimbangkan untuk menerapkan pola desain umum untuk keamanan jika sesuai.

Pendekatan yang digabungkan secara longgar

Potensi kasus penggunaan

Pendekatan yang digabungkan secara longgar lebih disukai dalam kasus ini:

• Anda memiliki tim khusus spesialis kuantum yang secara terpusat menyediakan fungsionalitas kuantum untuk tim lain dan komponen kuantum dikembangkan secara independen dari komponen klien klasik apa pun.
• Pekerjaan kuantum mewakili solusi umum (misalnya, penjadwalan pekerjaan) yang dapat digunakan kembali oleh beberapa aplikasi klasik.

Arsitektur

diagram Arsitektur

Unduh file PowerPoint untuk arsitektur ini.

Aliran Data

1. Pengguna yang masuk memicu eksekusi pekerjaan kuantum melalui aplikasi klasik.
2. Aplikasi klasik memanggil API pekerjaan kustom untuk mengirimkan pekerjaan.
3. Gateway API memicu fungsi Azure pengajuan pekerjaan, yang meneruskan data masukan pekerjaan.
4. Fungsi ini menempatkan data input ke dalam Azure Storage.
5. Fungsi mengirimkan pekerjaan ke ruang kerja Azure Quantum, dengan menentukan target atau sasaran eksekusi. Fungsi ini mengidentifikasi ruang kerja melalui data yang disimpan di Azure Key Vault dan mengautentikasi ke ruang kerja melalui identitas managed.
6. Penyedia kuantum menjalankan pekerjaan pada lingkungan target.
7. Aplikasi klien memantau eksekusi pekerjaan dengan melakukan polling status pekerjaan melalui panggilan API.
8. Gateway API memantau eksekusi pekerjaan dengan melakukan polling status pekerjaan dari penyedia kuantum.
9. Setelah pekerjaan selesai, hasil komputasi disimpan dalam Azure Storage. Aplikasi klien mendapatkan hasil dengan menggunakan API yang diimplementasikan melalui fungsi Azure.

Alur kerja ini mengimplementasikan pola Request-Reply Asynchronous dan langkah-langkah yang ditentukan untuk siklus hidup pekerjaan Azure Quantum.

Komponen

• Azure Quantum menyediakan workspace, dapat diakses dari portal Azure, untuk aset yang terkait dengan menjalankan pekerjaan kuantum pada berbagai target. Pekerjaan dijalankan pada simulator kuantum atau perangkat keras kuantum, tergantung pada penyedia yang Anda pilih.
• Microsoft Entra ID mengoordinasikan autentikasi pengguna dan membantu melindungi akses ke ruang kerja Azure Quantum.
• API Management adalah gateway API yang secara terpusat mengekspos titik akhir API untuk manajemen pekerjaan kuantum.
• Azure Functions digunakan untuk meneruskan permintaan klien ke sumber daya kuantum yang sesuai.
• Azure Key Vault melindungi dan mempertahankan kontrol kunci dan rahasia lainnya, seperti nama ruang kerja Azure Quantum.
• Azure Storage menyediakan penyimpanan untuk data input dan hasil dari penyedia kuantum.

Keandalan

Ketersediaan fungsionalitas komputasi kuantum sangat tergantung pada ketersediaan dan basis penginstalan penyedia komputasi kuantum . Bergantung pada target komputasi, aplikasi klien klasik mungkin mengalami penundaan panjang atau tidak tersedianya target.

Untuk layanan Azure di sekitarnya, pertimbangan ketersediaan yang biasa berlaku:

• Untuk ketersediaan tinggi, Anda dapat menyebarkan API Management ke beberapa zona atau wilayah.
• Jika Anda menggunakan replikasi geografis, Anda dapat memprovisikan Azure Functions di beberapa wilayah.
• Gunakan opsi redundansi Key Vault.
• Jika perlu, pertimbangkan untuk menggunakan opsi replikasi di Storage.

Keamanan

Tidak seperti arsitektur untuk alternatif yang terhubung erat, arsitektur yang disajikan di sini didasarkan pada asumsi bahwa beberapa klien mengakses ruang kerja Azure Quantum melalui API. Skenario ini mengarah ke konfigurasi berikut:

• Klien harus mengautentikasi ke API. Anda dapat menerapkan autentikasi ini dengan menggunakan kebijakan autentikasi .
• Anda dapat menerapkan autentikasi fungsi Azure melalui identitas managed yang terkait dengan fungsi. Anda dapat menggunakan identitas ini untuk mengautentikasi ke ruang kerja Azure Quantum.
• Beberapa klien mengakses API. Anda dapat menerapkan pembatasan permintaan dengan menggunakan pembatasan permintaan API Management untuk melindungi back end kuantum dan membatasi penggunaan sumber daya kuantum.
• Bergantung pada pola permintaan, Anda mungkin dapat menerapkan penyimpanan sementara hasil komputasi kuantum dengan menggunakan kebijakan penyimpanan sementara API Management.

Secara umum, pertimbangkan untuk menerapkan pola desain umum untuk keamanan jika sesuai.

Efisiensi Performa

Efisiensi Performa adalah kemampuan beban kerja Anda untuk menskalakan untuk memenuhi tuntutan yang ditempatkan di atasnya oleh pengguna dengan cara yang efisien. Untuk informasi selengkapnya, lihat Daftar Periksa Tinjauan Desain untuk Efisiensi Kinerja.

Performa aplikasi tergantung pada ketersediaan dan performa target komputasi kuantum yang mendasar. Untuk informasi tentang performa dan skalabilitas komponen klasik, tinjau pola desain khas untuk skalabilitas dan daftar periksa efisiensi performa .

Fitur umum

Fitur-fitur berikut umum untuk model implementasi yang digabungkan dengan erat dan digabungkan secara longgar

Alternatif

Arsitektur yang disajikan di sini adalah untuk masalah bisnis yang memerlukan sumber daya komputasi kuantum untuk tugas komputasi mereka. Untuk beberapa tantangan komputasi, layanan yang ada yang dibangun untuk melakukan komputasi berkinerja tinggi atau menyediakan fungsionalitas AI mungkin merupakan alternatif.

Pertimbangan

Beberapa target kuantum Azure (terutama perangkat keras kuantum) adalah sumber daya terbatas untuk masa depan yang dapat diperkirakan. Akses ke sumber daya ini diimplementasikan melalui mekanisme antrean. Saat Anda mengirimkan pekerjaan kuantum ke Azure Quantum, pekerjaan ini ditambahkan ke antrean pekerjaan. Pekerjaan berjalan setelah target selesai memproses entri antrean sebelumnya. Anda dapat memperoleh waktu tunggu yang diharapkan dengan mencantumkan target yang tersedia. Untuk menghitung waktu respons penuh, Anda perlu menambahkan waktu yang dihabiskan untuk menunggu sumber daya yang tersedia ke waktu eksekusi pekerjaan.

Keandalan

Karena lingkungan target kuantum seperti Azure Quantum biasanya memberikan koreksi kesalahan terbatas (terbatas pada prosesor kuantum dalam kasus Azure Quantum), kesalahan lain seperti batas waktu mesin kuantum mungkin masih terjadi sehingga disarankan untuk memantau eksekusi pekerjaan sehingga Anda dapat memberi tahu pengguna tentang status pekerjaan. Ketika eksekusi pekerjaan gagal karena kesalahan sementara, terapkan pola coba lagi . Kirimkan pekerjaan melalui panggilan asinkron, dengan polling untuk hasilnya, guna menghindari pemblokiran klien pemanggil yang tidak perlu.

Karena sumber daya komputasi kuantum biasanya terbatas, harapan ketahanan harus mempertimbangkan faktor ini. Dengan demikian, saran yang ditawarkan dalam artikel ini mungkin memberikan langkah-langkah ketahanan tambahan.

Pengoptimalan Biaya

Pengoptimalan Biaya adalah tentang melihat cara untuk mengurangi pengeluaran yang tidak perlu dan meningkatkan efisiensi operasional. Untuk informasi selengkapnya, lihat Daftar periksa tinjauan desain untuk optimalisasi biaya.

Biaya keseluruhan solusi ini tergantung pada target komputasi kuantum yang Anda pilih untuk menjalankan pekerjaan kuantum. Menghitung perkiraan biaya untuk komponen klasik sangat mudah. Anda dapat menggunakan kalkulator harga Azure.

Untuk layanan Azure Quantum, pertimbangkan bahwa penyedia komputasi Quantum dapat digunakan melalui penawaran Microsoft Marketplace. Harga tergantung pada jenis sumber daya (simulator atau perangkat keras), SKU, dan penggunaan Anda. Untuk informasi selengkapnya, lihat halaman referensi untuk penyedia yang diperlukan untuk skenario Anda. Halaman referensi ini tercantum dalam penyedia komputasi kuantum di Azure Quantum.

Keunggulan Operasional

Keunggulan Operasional mencakup proses operasi yang menyebarkan aplikasi dan membuatnya tetap berjalan dalam produksi. Untuk informasi selengkapnya, lihat Daftar periksa tinjauan desain untuk Keunggulan Operasional.

Memasukkan pekerjaan kuantum ke dalam alur CI/CD klasik dapat dicapai menggunakan Azure DevOps dengan perubahan kecil pada desain biasa. Desain ini mengilustrasikan alur kerja pipa DevOps yang dapat diterapkan pada arsitektur yang digabung erat maupun yang digabung longgar.

Arsitektur

Diagram arsitektur yang menampilkan alur CI/CD klasik dengan Azure Quantum yang telah diintegrasikan.

Unduh file PowerPoint untuk arsitektur ini.

Aliran Data

1. Pengembang mengubah kode sumber komponen aplikasi.
2. Perubahan diterapkan pada repositori kode sumber.
3. Perubahan pada kode kuantum memicu alur build kuantum. Alur build memeriksa kode, mengkompilasinya, memperkirakan sumber daya yang diperlukan, dan menjalankan algoritma pada simulator.
4. Algoritma kuantum yang dikompilasi dikirimkan ke lingkungan kuantum untuk pengujian.
5. Perubahan memicu alur build untuk komponen klasik. Alur memeriksa kode, mengkompilasinya, dan menjalankan pengujian unit dan integrasi.
6. Kompilasi dan pengujian yang berhasil memicu alur rilis. Alur pertama-tama menyediakan lingkungan Azure dengan menyebarkan templat Azure Resource Manager yang disimpan di repositori (Infrastruktur sebagai Kode).
7. Artefak aplikasi klasik yang telah dikompilasi disebarkan ke Azure. Pekerjaan kuantum dikirimkan ke ruang kerja kuantum selama runtime.
8. Application Insights memantau perilaku runtime, kesehatan, performa, dan informasi penggunaan.
9. Item backlog diperbarui sesuai kebutuhan, tergantung pada hasil pemantauan.
10. Pengembang menggunakan Application Insights untuk umpan balik dan pengoptimalan aplikasi.

Komponen

Solusi ini menggunakan alat DevOps berikut:

• Azure Repos menyediakan repositori Git privat yang dihosting cloud tanpa batas. Ini digunakan di sini untuk menyimpan kode kuantum dan klasik dan templat Azure Resource Manager yang digunakan untuk memprovisikan lingkungan.
• Azure Pipelines memungkinkan Anda untuk terus membangun, menguji, dan menyebarkan ke cloud. Di sini, ini digunakan untuk mengimplementasikan CI/CD, termasuk provisi lingkungan sebelum penyebaran kode.

Sebagai alternatif, Anda dapat menggunakan repositori GitHub dan tindakan GitHub untuk menerapkan proses CI/CD.

Solusi ini menggunakan komponen lain berikut:

• Aplikasi klien mengatur pekerjaan kuantum. Anda dapat menerapkan integrasi dengan menggunakan pendekatan terikat erat atau terikat longgar.
• Azure Quantum menyediakan workspace untuk aset yang terkait dengan menjalankan aplikasi komputasi kuantum. Pekerjaan dijalankan pada simulator kuantum atau perangkat keras kuantum, tergantung pada penyedia yang Anda pilih.
• Microsoft Entra ID mengoordinasikan autentikasi pengguna dan melindungi akses ke ruang kerja Azure Quantum.
• Azure Key Vault melindungi dan mempertahankan kontrol kunci dan rahasia lainnya, seperti nama ruang kerja kuantum.
• Azure Storage menyimpan data input dan output dari pekerjaan kuantum.
• Application Insights memantau aplikasi, mendeteksi anomali aplikasi seperti performa dan kegagalan yang buruk, dan mengirim telemetri ke portal Azure.

Efisiensi Performa

Performa aplikasi tergantung pada ketersediaan dan performa target komputasi kuantum yang mendasar. Untuk informasi tentang performa dan skalabilitas komponen klasik, tinjau pola desain khas untuk skalabilitas dan daftar periksa efisiensi performa .

Kontributor

Artikel ini dikelola oleh Microsoft. Ini awalnya ditulis oleh kontributor berikut.

Penulis utama:

• Holger Sirtl | Arsitek Teknis Senior di Pusat Teknologi Microsoft

Untukan melihat profil LinkedIn non-publik, masuk ke LinkedIn.

Langkah berikutnya

• Untuk gambaran umum Microsoft Quantum, ekosistem komputasi kuantum full-stack dan open-cloud, lihat Microsoft Quantum dan selesaikan jalur pembelajaran fondasi komputasi kuantum .
• Untuk informasi selengkapnya tentang layanan Azure Quantum, lihat Azure Quantum.
• Untuk informasi umum tentang manajemen pekerjaan Azure Quantum, lihat Kerja dengan pekerjaan Azure Quantum.
• Untuk informasi tentang menjalankan algoritma pada perangkat keras kuantum, lihat modul Menjalankan algoritma pada perangkat keras kuantum menggunakan Azure Quantum.

Sumber daya terkait

• Prinsip keunggulan operasional
• Pola Permintaan-Balasan Asinkron
• Komputasi kuantum yang digabungkan secara longgar

Komputasi klasik semakin tertantang dengan masalah komputasi paling kompleks saat ini - bahkan pada skala superkomputer kami yang paling kuat. Komputer Kuantum memegang janji untuk memperluas kemampuan komputasi kita secara dramatis. Dengan mengeksploitasi sifat fisika kuantum untuk melakukan komputasi, mereka memberikan percepatan eksponensial dalam menyelesaikan jenis-jenis masalah tertentu. Misalnya, komputer kuantum sangat baik dengan masalah yang memerlukan perhitungan sejumlah besar kemungkinan kombinasi yang sering ditemukan dalam skenario pengoptimalan, simulasi, atau pembelajaran mesin.

Namun, komponen komputasi kuantum memiliki model operasi yang berbeda dari perangkat lunak klasik. Biasanya ada satu atau beberapa komponen komputasi klasik yang mengatur eksekusi komponen kuantum. Orkestrasi ini mencakup aktivitas berikut:

• Persiapan data masukan
• Pengiriman tugas komputasi kuantum ke lingkungan kuantum yang ditargetkan
• Pemantauan eksekusi pekerjaan
• Pasca-pemrosesan hasil pekerjaan

Anda dapat mengintegrasikan orkestrasi ini dengan aplikasi klasik dengan salah satu dari dua cara:

• Integrasi melalui kopling yang ketat. Logika untuk orkestrasi sumber daya kuantum diintegrasikan ke dalam komponen atau komponen klasik.
• Integrasi melalui kopling longgar. Logika untuk orkestrasi sumber daya kuantum diekspos sebagai API yang dapat dipanggil oleh berbagai komponen perangkat lunak klasik.

Artikel ini menjelaskan cara menerapkan aplikasi kuantum di masing-masing desain ini. Setiap implementasi menggunakan Azure Quantum sebagai mesin komputasi kuantum tetapi sedikit berbeda dalam aspek lain seperti yang dirinci di bagian berikut.

Pendekatan yang terkait erat

Potensi kasus penggunaan

Pendekatan yang digabungkan erat lebih disukai dalam kasus ini:

• Satu tim memiliki kode kuantum dan kode klasik, dan kode terintegrasi.
• Komponen kuantum memiliki siklus hidup yang sama dengan komponen klasik.
• Penggunaan komponen kuantum terbatas pada satu aplikasi atau sekumpulan kecil aplikasi terkait.
• Pekerjaan kuantum mewakili solusi khusus (misalnya, simulasi molekuler) yang hanya digunakan oleh satu aplikasi klasik khusus.
• Algoritma yang diimplementasikan bersifat klasik kuantum hibrid, misalnya, Kuantum Variasional Eigensolver (VQE) dan Algoritma Pengoptimalan Perkiraan Kuantum (QAOA).

Arsitektur

diagram arsitektur

Unduh file PowerPoint untuk arsitektur ini.

Aliran Data

1. Pengguna yang masuk memicu eksekusi pekerjaan kuantum melalui aplikasi klien klasik.
2. Aplikasi klien menempatkan data input ke dalam Azure Storage.
3. Aplikasi klien mengirimkan pekerjaan ke ruang kerja Azure Quantum, menentukan target atau target eksekusi. Klien mengidentifikasi ruang kerja melalui data yang disimpan di Key Vault dan mengautentikasi ke ruang kerja melalui identitas managed.
4. Penyedia kuantum menjalankan pekerjaan pada lingkungan target.
5. Aplikasi klien memantau eksekusi pekerjaan dengan melakukan polling status pekerjaan.
6. Segera setelah pekerjaan kuantum selesai, aplikasi klien mendapatkan hasil komputasi dari Storage.

Alur kerja ini mengimplementasikan pola Request-Reply Asynchronous dan langkah-langkah yang ditentukan untuk siklus hidup pekerjaan Azure Quantum.

Komponen

• Azure Quantum menyediakan workspace, dapat diakses dari portal Azure, untuk aset yang terkait dengan menjalankan pekerjaan kuantum pada berbagai target. Pekerjaan dijalankan pada simulator kuantum atau perangkat keras kuantum, tergantung pada penyedia yang Anda pilih.
• Microsoft Entra ID mengoordinasikan autentikasi pengguna dan membantu melindungi akses ke ruang kerja Azure Quantum.
• Key Vault melindungi dan mempertahankan kontrol kunci dan rahasia lainnya, seperti nama ruang kerja Azure Quantum.
• Azure Storage menyediakan penyimpanan untuk data input dan hasil dari penyedia kuantum.

Pertimbangan

Pertimbangan ini mengimplementasikan pilar Azure Well-Architected Framework, yang merupakan sekumpulan tenet panduan yang dapat digunakan untuk meningkatkan kualitas beban kerja. Untuk informasi selengkapnya, lihat Microsoft Azure Well-Architected Framework.

Keandalan

Keandalan memastikan aplikasi Anda dapat memenuhi komitmen yang Anda buat kepada pelanggan Anda. Untuk informasi selengkapnya, lihat Daftar Periksa Tinjauan Desain untuk Keandalan.

Ketersediaan fungsionalitas komputasi kuantum sangat bergantung pada ketersediaan dan basis penginstalan penyedia komputasi kuantum . Bergantung pada target komputasi, aplikasi klien klasik mungkin mengalami penundaan panjang atau tidak tersedianya target.

Untuk layanan Azure di sekitarnya, pertimbangan ketersediaan yang biasa berlaku:

• Gunakan opsi redundansi Key Vault.
• Jika perlu, pertimbangkan untuk menggunakan opsi replikasi di Storage.

Keamanan

Keamanan memberikan jaminan terhadap serangan yang disengaja dan penyalahgunaan data dan sistem berharga Anda. Untuk informasi selengkapnya, lihat daftar periksa desain untuk tinjauan keamanan.

Tidak seperti arsitektur untuk alternatif yang terhubung longgar, arsitektur yang disajikan di sini didasarkan pada asumsi bahwa hanya satu klien yang mengakses workspace Azure Quantum. Skenario ini mengarah ke konfigurasi berikut:

• Karena klien diketahui, Anda dapat menerapkan autentikasi melalui identitas terkelola, yang terkait dengan aplikasi.
• Anda dapat menerapkan pembatasan permintaan dan penyimpanan sementara hasil pada klien itu sendiri.

Secara umum, pertimbangkan untuk menerapkan pola desain umum untuk keamanan jika sesuai.

Pendekatan yang digabungkan secara longgar

Potensi kasus penggunaan

Pendekatan yang digabungkan secara longgar lebih disukai dalam kasus ini:

• Anda memiliki tim khusus spesialis kuantum yang secara terpusat menyediakan fungsionalitas kuantum untuk tim lain dan komponen kuantum dikembangkan secara independen dari komponen klien klasik apa pun.
• Pekerjaan kuantum mewakili solusi umum (misalnya, penjadwalan pekerjaan) yang dapat digunakan kembali oleh beberapa aplikasi klasik.

Arsitektur

diagram Arsitektur

Unduh file PowerPoint untuk arsitektur ini.

Aliran Data

1. Pengguna yang masuk memicu eksekusi pekerjaan kuantum melalui aplikasi klasik.
2. Aplikasi klasik memanggil API pekerjaan kustom untuk mengirimkan pekerjaan.
3. Gateway API memicu fungsi Azure pengajuan pekerjaan, yang meneruskan data masukan pekerjaan.
4. Fungsi ini menempatkan data input ke dalam Azure Storage.
5. Fungsi mengirimkan pekerjaan ke ruang kerja Azure Quantum, dengan menentukan target atau sasaran eksekusi. Fungsi ini mengidentifikasi ruang kerja melalui data yang disimpan di Azure Key Vault dan mengautentikasi ke ruang kerja melalui identitas managed.
6. Penyedia kuantum menjalankan pekerjaan pada lingkungan target.
7. Aplikasi klien memantau eksekusi pekerjaan dengan melakukan polling status pekerjaan melalui panggilan API.
8. Gateway API memantau eksekusi pekerjaan dengan melakukan polling status pekerjaan dari penyedia kuantum.
9. Setelah pekerjaan selesai, hasil komputasi disimpan dalam Azure Storage. Aplikasi klien mendapatkan hasil dengan menggunakan API yang diimplementasikan melalui fungsi Azure.

Alur kerja ini mengimplementasikan pola Request-Reply Asynchronous dan langkah-langkah yang ditentukan untuk siklus hidup pekerjaan Azure Quantum.

Komponen

• Azure Quantum menyediakan workspace, dapat diakses dari portal Azure, untuk aset yang terkait dengan menjalankan pekerjaan kuantum pada berbagai target. Pekerjaan dijalankan pada simulator kuantum atau perangkat keras kuantum, tergantung pada penyedia yang Anda pilih.
• Microsoft Entra ID mengoordinasikan autentikasi pengguna dan membantu melindungi akses ke ruang kerja Azure Quantum.
• API Management adalah gateway API yang secara terpusat mengekspos titik akhir API untuk manajemen pekerjaan kuantum.
• Azure Functions digunakan untuk meneruskan permintaan klien ke sumber daya kuantum yang sesuai.
• Azure Key Vault melindungi dan mempertahankan kontrol kunci dan rahasia lainnya, seperti nama ruang kerja Azure Quantum.
• Azure Storage menyediakan penyimpanan untuk data input dan hasil dari penyedia kuantum.

Keandalan

Ketersediaan fungsionalitas komputasi kuantum sangat tergantung pada ketersediaan dan basis penginstalan penyedia komputasi kuantum . Bergantung pada target komputasi, aplikasi klien klasik mungkin mengalami penundaan panjang atau tidak tersedianya target.

Untuk layanan Azure di sekitarnya, pertimbangan ketersediaan yang biasa berlaku:

• Untuk ketersediaan tinggi, Anda dapat menyebarkan API Management ke beberapa zona atau wilayah.
• Jika Anda menggunakan replikasi geografis, Anda dapat memprovisikan Azure Functions di beberapa wilayah.
• Gunakan opsi redundansi Key Vault.
• Jika perlu, pertimbangkan untuk menggunakan opsi replikasi di Storage.

Keamanan

Tidak seperti arsitektur untuk alternatif yang terhubung erat, arsitektur yang disajikan di sini didasarkan pada asumsi bahwa beberapa klien mengakses ruang kerja Azure Quantum melalui API. Skenario ini mengarah ke konfigurasi berikut:

• Klien harus mengautentikasi ke API. Anda dapat menerapkan autentikasi ini dengan menggunakan kebijakan autentikasi .
• Anda dapat menerapkan autentikasi fungsi Azure melalui identitas managed yang terkait dengan fungsi. Anda dapat menggunakan identitas ini untuk mengautentikasi ke ruang kerja Azure Quantum.
• Beberapa klien mengakses API. Anda dapat menerapkan pembatasan permintaan dengan menggunakan pembatasan permintaan API Management untuk melindungi back end kuantum dan membatasi penggunaan sumber daya kuantum.
• Bergantung pada pola permintaan, Anda mungkin dapat menerapkan penyimpanan sementara hasil komputasi kuantum dengan menggunakan kebijakan penyimpanan sementara API Management.

Secara umum, pertimbangkan untuk menerapkan pola desain umum untuk keamanan jika sesuai.

Efisiensi Performa

Efisiensi Performa adalah kemampuan beban kerja Anda untuk menskalakan untuk memenuhi tuntutan yang ditempatkan di atasnya oleh pengguna dengan cara yang efisien. Untuk informasi selengkapnya, lihat Daftar Periksa Tinjauan Desain untuk Efisiensi Kinerja.

Performa aplikasi tergantung pada ketersediaan dan performa target komputasi kuantum yang mendasar. Untuk informasi tentang performa dan skalabilitas komponen klasik, tinjau pola desain khas untuk skalabilitas dan daftar periksa efisiensi performa .

Fitur umum

Fitur-fitur berikut umum untuk model implementasi yang digabungkan dengan erat dan digabungkan secara longgar

Alternatif

Arsitektur yang disajikan di sini adalah untuk masalah bisnis yang memerlukan sumber daya komputasi kuantum untuk tugas komputasi mereka. Untuk beberapa tantangan komputasi, layanan yang ada yang dibangun untuk melakukan komputasi berkinerja tinggi atau menyediakan fungsionalitas AI mungkin merupakan alternatif.

Pertimbangan

Beberapa target kuantum Azure (terutama perangkat keras kuantum) adalah sumber daya terbatas untuk masa depan yang dapat diperkirakan. Akses ke sumber daya ini diimplementasikan melalui mekanisme antrean. Saat Anda mengirimkan pekerjaan kuantum ke Azure Quantum, pekerjaan ini ditambahkan ke antrean pekerjaan. Pekerjaan berjalan setelah target selesai memproses entri antrean sebelumnya. Anda dapat memperoleh waktu tunggu yang diharapkan dengan mencantumkan target yang tersedia. Untuk menghitung waktu respons penuh, Anda perlu menambahkan waktu yang dihabiskan untuk menunggu sumber daya yang tersedia ke waktu eksekusi pekerjaan.

Keandalan

Karena lingkungan target kuantum seperti Azure Quantum biasanya memberikan koreksi kesalahan terbatas (terbatas pada prosesor kuantum dalam kasus Azure Quantum), kesalahan lain seperti batas waktu mesin kuantum mungkin masih terjadi sehingga disarankan untuk memantau eksekusi pekerjaan sehingga Anda dapat memberi tahu pengguna tentang status pekerjaan. Ketika eksekusi pekerjaan gagal karena kesalahan sementara, terapkan pola coba lagi . Kirimkan pekerjaan melalui panggilan asinkron, dengan polling untuk hasilnya, guna menghindari pemblokiran klien pemanggil yang tidak perlu.

Karena sumber daya komputasi kuantum biasanya terbatas, harapan ketahanan harus mempertimbangkan faktor ini. Dengan demikian, saran yang ditawarkan dalam artikel ini mungkin memberikan langkah-langkah ketahanan tambahan.

Pengoptimalan Biaya

Pengoptimalan Biaya adalah tentang melihat cara untuk mengurangi pengeluaran yang tidak perlu dan meningkatkan efisiensi operasional. Untuk informasi selengkapnya, lihat Daftar periksa tinjauan desain untuk optimalisasi biaya.

Biaya keseluruhan solusi ini tergantung pada target komputasi kuantum yang Anda pilih untuk menjalankan pekerjaan kuantum. Menghitung perkiraan biaya untuk komponen klasik sangat mudah. Anda dapat menggunakan kalkulator harga Azure.

Untuk layanan Azure Quantum, pertimbangkan bahwa penyedia komputasi Quantum dapat digunakan melalui penawaran Microsoft Marketplace. Harga tergantung pada jenis sumber daya (simulator atau perangkat keras), SKU, dan penggunaan Anda. Untuk informasi selengkapnya, lihat halaman referensi untuk penyedia yang diperlukan untuk skenario Anda. Halaman referensi ini tercantum dalam penyedia komputasi kuantum di Azure Quantum.

Keunggulan Operasional

Keunggulan Operasional mencakup proses operasi yang menyebarkan aplikasi dan membuatnya tetap berjalan dalam produksi. Untuk informasi selengkapnya, lihat Daftar periksa tinjauan desain untuk Keunggulan Operasional.

Memasukkan pekerjaan kuantum ke dalam alur CI/CD klasik dapat dicapai menggunakan Azure DevOps dengan perubahan kecil pada desain biasa. Desain ini mengilustrasikan alur kerja pipa DevOps yang dapat diterapkan pada arsitektur yang digabung erat maupun yang digabung longgar.

Arsitektur

Diagram arsitektur yang menampilkan alur CI/CD klasik dengan Azure Quantum yang telah diintegrasikan.

Unduh file PowerPoint untuk arsitektur ini.

Aliran Data

1. Pengembang mengubah kode sumber komponen aplikasi.
2. Perubahan diterapkan pada repositori kode sumber.
3. Perubahan pada kode kuantum memicu alur build kuantum. Alur build memeriksa kode, mengkompilasinya, memperkirakan sumber daya yang diperlukan, dan menjalankan algoritma pada simulator.
4. Algoritma kuantum yang dikompilasi dikirimkan ke lingkungan kuantum untuk pengujian.
5. Perubahan memicu alur build untuk komponen klasik. Alur memeriksa kode, mengkompilasinya, dan menjalankan pengujian unit dan integrasi.
6. Kompilasi dan pengujian yang berhasil memicu alur rilis. Alur pertama-tama menyediakan lingkungan Azure dengan menyebarkan templat Azure Resource Manager yang disimpan di repositori (Infrastruktur sebagai Kode).
7. Artefak aplikasi klasik yang telah dikompilasi disebarkan ke Azure. Pekerjaan kuantum dikirimkan ke ruang kerja kuantum selama runtime.
8. Application Insights memantau perilaku runtime, kesehatan, performa, dan informasi penggunaan.
9. Item backlog diperbarui sesuai kebutuhan, tergantung pada hasil pemantauan.
10. Pengembang menggunakan Application Insights untuk umpan balik dan pengoptimalan aplikasi.

Komponen

Solusi ini menggunakan alat DevOps berikut:

• Azure Repos menyediakan repositori Git privat yang dihosting cloud tanpa batas. Ini digunakan di sini untuk menyimpan kode kuantum dan klasik dan templat Azure Resource Manager yang digunakan untuk memprovisikan lingkungan.
• Azure Pipelines memungkinkan Anda untuk terus membangun, menguji, dan menyebarkan ke cloud. Di sini, ini digunakan untuk mengimplementasikan CI/CD, termasuk provisi lingkungan sebelum penyebaran kode.

Sebagai alternatif, Anda dapat menggunakan repositori GitHub dan tindakan GitHub untuk menerapkan proses CI/CD.

Solusi ini menggunakan komponen lain berikut:

• Aplikasi klien mengatur pekerjaan kuantum. Anda dapat menerapkan integrasi dengan menggunakan pendekatan terikat erat atau terikat longgar.
• Azure Quantum menyediakan workspace untuk aset yang terkait dengan menjalankan aplikasi komputasi kuantum. Pekerjaan dijalankan pada simulator kuantum atau perangkat keras kuantum, tergantung pada penyedia yang Anda pilih.
• Microsoft Entra ID mengoordinasikan autentikasi pengguna dan melindungi akses ke ruang kerja Azure Quantum.
• Azure Key Vault melindungi dan mempertahankan kontrol kunci dan rahasia lainnya, seperti nama ruang kerja kuantum.
• Azure Storage menyimpan data input dan output dari pekerjaan kuantum.
• Application Insights memantau aplikasi, mendeteksi anomali aplikasi seperti performa dan kegagalan yang buruk, dan mengirim telemetri ke portal Azure.

Efisiensi Performa

Performa aplikasi tergantung pada ketersediaan dan performa target komputasi kuantum yang mendasar. Untuk informasi tentang performa dan skalabilitas komponen klasik, tinjau pola desain khas untuk skalabilitas dan daftar periksa efisiensi performa .

Kontributor

Artikel ini dikelola oleh Microsoft. Ini awalnya ditulis oleh kontributor berikut.

Penulis utama:

• Holger Sirtl | Arsitek Teknis Senior di Pusat Teknologi Microsoft

Untukan melihat profil LinkedIn non-publik, masuk ke LinkedIn.

Langkah berikutnya

• Untuk gambaran umum Microsoft Quantum, ekosistem komputasi kuantum full-stack dan open-cloud, lihat Microsoft Quantum dan selesaikan jalur pembelajaran fondasi komputasi kuantum .
• Untuk informasi selengkapnya tentang layanan Azure Quantum, lihat Azure Quantum.
• Untuk informasi umum tentang manajemen pekerjaan Azure Quantum, lihat Kerja dengan pekerjaan Azure Quantum.
• Untuk informasi tentang menjalankan algoritma pada perangkat keras kuantum, lihat modul Menjalankan algoritma pada perangkat keras kuantum menggunakan Azure Quantum.

Sumber daya terkait

• Prinsip keunggulan operasional
• Pola Permintaan-Balasan Asinkron
• Komputasi kuantum yang digabungkan secara longgar