클래식 앱과 양자 컴퓨팅 통합

Azure Quantum

일부 계산 문제는 대형 슈퍼컴퓨터에서도 클래식 컴퓨터에서 해결할 수 없거나 난해합니다. 이러한 문제 중 일부의 경우 양자 알고리즘은 가장 잘 알려진 클래식 접근 방식보다 훨씬 적은 리소스를 사용하여 솔루션에 도달할 수 있습니다. 양자 컴퓨터는 중첩 및 얽힘과 같은 양자 기계적 효과를 사용하여 클래식 컴퓨터가 할 수 없는 방식으로 정보를 나타내고 처리합니다.

양자 프로그램은 작업을 제출하여 도달하는 양자 공급자 에서 실행됩니다. 양자 대상은 서로 다른 대상 프로필을 노출합니다. 일부 프로필은 양자 작업만 허용하며, 이 프로필에서 실행할 수 있는 클래식 논리는 제한적입니다. 다른 프로필을 사용하면 양자 및 클래식 연산을 공급자에서 함께 실행할 수 있습니다.

대상 프로필에 관계없이 클래식 컴퓨팅 구성 요소는 주변 애플리케이션 통합을 처리합니다. 양자 대상이 클래식 작업을 수락하더라도 작업을 제출하고 결과를 대기하여 대상에 도달합니다. 이 문서에서는 양자 작업을 클래식 애플리케이션과 통합하기 위한 두 가지 오케스트레이션 모델을 설명하고 비교합니다.

실제로 양자 프로그램을 실행하는 것은 서비스 호출입니다. 클래식 애플리케이션 또는 클라이언트 코드는 대상에 작업을 제출하고, 작업이 실행되기를 기다렸다가 결과를 검색합니다. 하나 이상의 클래식 컴퓨팅 구성 요소는 다음 작업을 수행하여 각 양자 작업을 오케스트레이션합니다.

• 입력 데이터 준비
• 대상 양자 환경에 양자 컴퓨팅 작업 제출
• 작업 실행 모니터링
• 후처리 작업 결과

양자 통합 모델

다음 두 가지 오케스트레이션 패턴 중 하나를 사용하여 양자 작업을 클래식 애플리케이션과 통합합니다.

• 직접 양자 통합. 클라이언트 애플리케이션 또는 경량 클래식 하네스는 Azure Quantum 작업 영역과 직접 상호 작용합니다. 클라이언트는 입력 준비, 작업 제출, 모니터링, 결과 처리 및 양자 실행을 둘러싼 클래식 논리를 소유합니다.

• 워크플로로 오케스트레이션된 양자 통합. 워크플로 오케스트레이터는 전체 상태 및 전환을 소유합니다. 양자 실행은 HPC(고성능 컴퓨팅) 또는 GPU(그래픽 처리 장치) 컴퓨팅에서 실행되는 단계와 함께 실행되는 워크플로 단계에서 발생합니다.

지정된 애플리케이션 통합 경계의 경우 이러한 패턴이 대안입니다. 클라이언트가 작업 영역과 직접 통합되거나 더 광범위한 워크플로가 양자 단계를 소유합니다. 이 문서에서는 각 패턴의 구현에 대해 설명합니다.

메모

이 문서의 아키텍처는 양자 대상에서 컴퓨팅 작업의 일부를 실행합니다. 일부 컴퓨팅 과제의 경우 고성능 컴퓨팅 을 수행하거나 AI 기능을 제공하도록 빌드된 기존 서비스가 대안이 될 수 있습니다.

통합 선택은 클래식 계산이 실행되는 위치와 독립적입니다. 대상 프로필 및 워크로드에 따라 클래식 논리는 양자 프로그램 내에서, 클라이언트에서 양자 실행 간, 워크플로 오케스트레이터 또는 HPC 또는 GPU 컴퓨팅의 클래식 워크플로 단계에서 실행할 수 있습니다.

의사 결정 매트릭스

다음 의사 결정 매트릭스를 사용하여 통합 패턴 선택을 안내합니다.

워크로드에 이러한 특성이 있는 경우	이 방법 사용
하나의 애플리케이션 또는 경량 하네스는 전체 양자 작업 수명 주기를 소유하며 입력 준비 및 결과 처리는 해당 클라이언트 내에 적합합니다.	직접 양자 통합
필기 양자 코드를 사용하여 양자 하드웨어의 속성을 살펴보고, 하나의 애플리케이션 또는 작은 관련 애플리케이션 집합이 결과를 사용합니다.	직접 양자 통합
고전적 측면은 비중이 크고 리소스 소모도 많으며, HPC, GPU 또는 양자 타깃처럼 각 단계에 적합한 백엔드에서 실행되는 다단계 파이프라인에서 양자 컴퓨팅을 여러 단계 중 하나로 활용합니다.	워크플로 기반 양자 통합
양자 실행은 반복되고, 한 실행의 결과는 다음 양자 프로그램을 생성하거나 해당 매개 변수를 결정합니다.	워크플로 기반 양자 통합

시나리오 세부 정보

두 워크플로 모두 비동기 Request-Reply 패턴과 Azure Quantum 작업 수명 주기에 대해 정의된 단계를 구현합니다.

양자 대상, 특히 양자 하드웨어는 제한된 리소스입니다. Azure Quantum 작업 큐를 통해 이러한 리소스를 할당합니다. 작업을 제출하면 선택한 대상의 대기열에 들어가며, 그 대상이 앞선 항목들을 완료한 후 실행됩니다. 예상 대기 시간을 보려면 사용 가능한 대상을 나열합니다. 큐 대기와 작업 실행 시간으로 전체 응답 시간을 계산합니다.

양자 대상의 기능도 다양합니다. 일부 대상은 양자 작업만 허용하는 반면, 다른 대상은 단일 작업에서 양자 연산을 사용하여 클래식 논리를 실행합니다. 이 모델은 실행 중에 적응하는 알고리즘을 지원합니다. 대상에 커밋하기 전에 알고리즘에 필요한 작업을 지원하는지 확인합니다. 클래식 및 양자 명령이 함께 실행되는 방법에 대한 자세한 내용은 하이브리드 양자 컴퓨팅 소개를 참조하세요.

메모

이러한 패턴은 양자 작업을 애플리케이션 아키텍처에 통합하는 방법을 설명합니다. 클래식 및 양자 계산이 양자 작업 내에서 상호 작용하는 방식을 설명하는 Azure Quantum 하이브리드 컴퓨팅 모델과는 다릅니다. 대상 프로필은 이러한 작업 내에서 실행할 수 있는 작업을 제한합니다. 자세한 내용은 하이브리드 양자 컴퓨팅 소개를 참조하세요. 애플리케이션 통합 패턴은 작업 내 동작과 독립적이며 클라이언트 또는 워크플로가 양자 작업을 실행하는지 여부를 제어합니다.

직접 양자 통합

다음 섹션에서는 양자 작업을 클래식 애플리케이션과 통합하기 위한 직접 통합 모델에 대해 설명합니다.

건축학

다이어그램은 직접 양자 통합을 위한 워크플로를 보여줍니다. 왼쪽 위에는 사용자 아이콘이 Sign-in이라고 표시된 점선으로 Microsoft Entra ID 아이콘에 연결되어 있습니다. 1이라고 표시된 화살표가 사용자에서 클라이언트 앱 아이콘이 포함된 Front end라고 표시된 상자까지 이어집니다. 프런트 엔드 박스는 ‘Authentication’이라고 표시된 점선으로 Microsoft Entra ID 아이콘에 연결됩니다. 2라고 표시된 화살표는 Front end 상자에서 Storage account 아이콘이 들어 있는 'Storage'라고 표시된 상자로 이어집니다. 3이라고 표시된 화살표는 Front end 상자에서 Provider 아이콘이 포함된 Azure Quantum workspace라고 레이블이 지정된 상자로 이어집니다. 양방향 화살표가 있는 4라고 표시된 선이 Provider 아이콘과 Target 아이콘 두 개가 들어 있는 Quantum provider service라고 표시된 상자 사이에 있습니다. 5라는 레이블이 지정된 화살표는 프런트 엔드 상자에서 Azure Quantum 작업 영역 상자로 이동합니다. 양방향 화살표가 있는 파선은 Azure Quantum 작업 영역 상자와 스토리지 상자를 연결합니다. 6으로 표시된 화살표가 스토리지 박스에서 프런트엔드 박스로 다시 이어집니다.

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데이터 흐름

다음 데이터 흐름은 이전 다이어그램에 해당합니다.

1. 로그인한 사용자는 클래식 클라이언트 애플리케이션을 통해 양자 작업 실행을 트리거합니다.

2. 클라이언트 애플리케이션은 데이터를 Azure Storage 입력합니다.

3. 클라이언트 애플리케이션은 실행 대상 또는 대상을 지정하여 Azure Quantum 작업 영역에 작업을 제출합니다.

   클라이언트는 구성에서 작업 영역을 식별하고 Microsoft Entra ID를 사용하여 작업 영역에 인증합니다. Azure 호스트된 리소스에서 실행되는 클라이언트는 관리 ID를 사용할 수 있습니다. 로컬 클라이언트 애플리케이션은 서비스 주체 또는 대화형 사용자 로그인과 같은 다른 Microsoft Entra ID로 인증합니다.

4. 양자 공급자는 대상 환경에서 작업을 실행합니다.

5. 클라이언트 애플리케이션은 작업 상태를 폴링하여 작업 실행을 모니터링합니다.

6. 양자 작업이 완료되는 즉시 클라이언트 애플리케이션은 Storage에서 컴퓨팅 결과를 가져옵니다.

구성 요소

• Azure Quantum 다양한 대상에서 양자 작업 실행과 연결된 자산에 대해 Azure 포털에서 액세스할 수 있는 workspace 제공합니다. 작업은 선택한 공급자에 따라 양자 시뮬레이터 또는 양자 하드웨어에서 실행됩니다.
• Microsoft Entra ID 사용자 인증을 조정하고 Azure Quantum 작업 영역에 대한 액세스를 보호합니다.
• Storage 는 양자 공급자의 입력 데이터 및 결과를 위한 스토리지를 제공합니다.

직접 통합 잠재적 사용 사례

직접 양자 통합 패턴은 다음과 같은 사용 사례에 적합합니다.

• 하나의 클라이언트 애플리케이션 또는 경량 클래식 하네스가 더 큰 워크플로 없이 양자 작업의 전체 수명 주기를 전적으로 관리합니다.
• 클라이언트는 입력 준비 및 결과 처리와 같은 기존 작업을 실행할 수 있습니다.
• 양자 하드웨어의 속성을 탐색하므로 일반적으로 동적으로 생성하지 않고 양자 코드를 직접 작성합니다.
• 양자 구성 요소의 사용은 단일 애플리케이션 또는 작은 관련 애플리케이션 집합으로 제한됩니다.
• 양자 작업은 하나의 특수한 클래식 애플리케이션만 사용하는 분자 시뮬레이션과 같은 특수 솔루션을 나타냅니다.

워크플로 기반 양자 통합

다음 섹션에서는 양자 작업을 클래식 애플리케이션과 통합하기 위한 워크플로 오케스트레이션 모델에 대해 설명합니다.

건축학

워크플로 논리는 특정 호스트 또는 공급자에 의존하지 않습니다. 다음 순서도는 상태 머신, 즉 단일 입력, 단계에 대한 반복, 그리고 각 단계의 페이즈를 보여줍니다. 양자 분기에는 클래식 단계에서 사용하지 않는 선택적 프로그램 생성 및 최적화 단계가 포함될 수 있습니다.

순서도는 워크플로 오케스트레이션된 양자 통합을 위한 데이터 흐름을 보여줍니다. 입력 항목은 Advance to next step 항목으로 이어지고, 이는 다음 단계가 포함된 Step이라고 표시된 상자로 연결됩니다. 입력 준비 작업은 백엔드 선택 결정 지점으로 이어지며, 이 지점은 위쪽의 quantum이라고 표시된 영역 또는 아래쪽의 classical이라고 표시된 영역을 가리킵니다. 양자 섹션에는 양자 프로그램 생성 및 최적화(선택 사항)라는 레이블이 지정된 프로세스와 양자 백 엔드에서 실행이라는 레이블이 지정된 프로세스가 포함되어 있습니다. 클래식 섹션에는 클래식 백 엔드(HPC, GPU, 로컬 또는 기타)에서 실행이라는 레이블이 지정된 프로세스가 포함되어 있습니다. 그런 다음 두 경로 모두 출력 처리라는 레이블이 지정된 프로세스로 연결됩니다. 그런 다음 흐름이 단계 상자를 종료하고 추가 단계라는 레이블이 지정된 의사 결정 지점을 가리킵니다. 예라고 레이블이 지정된 경로는 다음 단계 항목으로의 진행을 다시 가리킵니다. 'no'라고 레이블이 지정된 경로는 'Final output'이라고 레이블이 지정된 종결자로 이어집니다.

이전 순서도의 백 엔드 선택기는 필수 구성 요소가 아닌 논리적 단계이며 각 단계를 고정 백 엔드 형식으로 라우팅하는 구성 조회일 수 있습니다.

양자 작업을 제출하고 모니터링하는 클래식 서비스 집합을 사용하여 Azure 이 워크플로를 호스트할 수 있습니다. 다음 다이어그램은 예제 토폴로지입니다.

왼쪽 위에 있는 클라이언트 앱 상자는 'Sign-in'이라고 표시된 점선으로 Microsoft Entra ID 아이콘에 연결됩니다. 인증된 요청 레이블이 지정된 화살표와 1은 클라이언트 앱 상자에서 API Management라는 레이블이 지정된 상자로 이동합니다. API Management 상자는 파선이 있는 Microsoft Entra ID 아이콘에 연결합니다. 2라고 표시된 화살표는 API Management 상자에서 Function apps라고 표시된 상자 안에 있는 Input API라고 표시된 아이콘으로 이어집니다. 레이블이 3인 화살표는 함수 앱 상자 내의 워크플로 오케스트레이터(Durable Functions)라는 레이블이 지정된 아이콘에서 로컬 컴퓨팅, HPC 클러스터(Azure Batch) 및 GPU 컴퓨팅이라는 레이블이 지정된 상자가 포함된 클래식 컴퓨팅 백 엔드 상자로 이동합니다. 레이블이 4인 화살표는 클래식 컴퓨팅 백 엔드 상자에서 Azure Storage 아이콘이 포함된 결과 및 상태라는 레이블이 지정된 상자로 이동합니다. 레이블이 5인 화살표는 함수 앱 상자의 워크플로 오케스트레이터 아이콘에서 Azure Quantum 아이콘이 포함된 Azure Quantum 작업 영역 레이블이 지정된 상자로 이동합니다. 레이블이 6인 화살표는 Azure Quantum 작업 영역 상자에서, Targets라고 레이블된 두 개의 아이콘이 들어 있는 Quantum target 상자까지 이어집니다. 레이블이 7인 화살표는 Quantum 대상 상자에서 결과 및 상태 상자로 이동합니다. 레이블이 8인 화살표는 결과 및 상태 상자에서 함수 앱 상자로 돌아갑니다. 레이블이 9인 화살표는 왼쪽의 API Management 상자에서 함수 앱 상자의 상태 API라는 레이블이 지정된 아이콘으로 이동합니다.

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데이터 흐름

다음 데이터 흐름은 배포 토폴로지와 일치합니다.

1. 클라이언트 애플리케이션은 Microsoft Entra ID 사용하여 호출자를 인증하고 요청이 컴퓨팅 계층에 도달하기 전에 제한을 적용하는 API Management를 통해 요청을 제출합니다.
2. API Management는 요청의 유효성을 검사하고 워크플로 오케스트레이터를 시작하는 HTTP 트리거 함수인 Input API에 요청을 전달합니다.
3. 클래식적으로 실행되는 단계의 경우 오케스트레이터는 HPC 클러스터 또는 GPU 컴퓨팅과 같은 클래식 백 엔드로 실행을 라우팅합니다.
4. 클래식 백 엔드는 결과와 업데이트된 파이프라인 상태를 Storage에 씁니다.
5. 양자에서 실행되는 단계의 경우 오케스트레이터는 양자 경로를 통해 실행을 라우팅합니다. 양자 경로는 단계의 입력을 바탕으로 단계 프로그램을 생성하고 최적화하거나 고정된 구현을 사용해 이를 준비한 다음, 해당 작업을 Azure Quantum 워크스페이스에 제출합니다. 제출은 관리 ID를 통해 인증됩니다.
6. 작업 영역은 선택한 양자 대상에서 작업을 실행합니다.
7. 양자 대상은 스토리지에 결과를 씁니다.
8. 오케스트레이터는 업데이트된 상태 스토리지를 읽고 파이프라인의 전환 논리를 평가합니다. 수렴 또는 반복 조건에 다른 양자 실행이 필요한 경우 오케스트레이터는 결과를 사용하여 다음 양자 프로그램에 대한 매개 변수를 확인하거나 다음 프로그램을 생성하는 입력을 제공합니다. 그러면 파이프라인이 해당 단계로 다시 되돌아갑니다.
9. 클라이언트는 API Management를 통해 상태 API를 폴링하여 진행률을 추적하고 파이프라인이 터미널 상태에 도달하면 최종 결과를 검색합니다.

구성 요소

• Durable Functions 워크플로 오케스트레이터 역할을 하여 파이프라인을 상태 컴퓨터로 실행하고, 단계를 조정하고, 각 단계의 실행에 대한 양자 또는 기타 컴퓨팅 유형 백 엔드를 선택합니다. Durable Functions 또는 다른 워크플로 엔진을 사용하여 오케스트레이터를 구현할 수 있습니다.
• Azure HPC 및 GPU 클래식 컴퓨팅 백 엔드는 비퀀텀 단계를 실행합니다.
• Azure Functions 워크플로를 실행하는 오케스트레이터와 함께 워크플로를 시작하고 모니터링하는 HTTP API를 호스트합니다.
• API Management 는 클라이언트 요청의 진입점입니다. 호출자를 인증하고 스로틀링을 적용합니다. 함수 앱이 직접 호출되지 않도록 하려면 API Management의 트래픽만 허용하도록 인바운드 액세스 제한 또는 프라이빗 엔드포인트와 같은 Azure Functions 네트워킹 옵션을 사용합니다.
• Azure Quantum 실행 중인 양자 작업과 연결된 자산에 대한 작업 영역을 제공합니다. 작업은 선택한 대상에 따라 양자 시뮬레이터 또는 양자 하드웨어에서 실행됩니다.
• Microsoft Entra ID 인증을 조정하고 Azure Quantum 작업 영역에 대한 액세스를 보호합니다.
• 스토리지 는 입력 데이터, 중간 파이프라인 상태 및 결과를 저장합니다.

대안

이 문서의 아키텍처는 양자 대상에서 컴퓨팅 작업의 일부를 실행합니다. 일부 컴퓨팅 과제의 경우 고성능 컴퓨팅 을 수행하거나 AI 기능을 제공하도록 빌드된 기존 서비스가 대안이 될 수 있습니다.

과학 연구개발 워크로드의 경우, Microsoft Discovery는 AI를 사용하여 모델, 도구 및 컴퓨팅 리소스 전반에 걸쳐 복잡한 작업을 조율합니다. Microsoft 검색은 다중 단계 파이프라인에서 다양한 도구를 조정할 수 있으며 확장 가능하므로 오케스트레이션을 직접 빌드하고 운영하는 대신 고유한 도구와 에이전트를 연결할 수 있습니다. 양자 단계 실행을 비롯한 양자 기능과의 통합은 AI를 사용하여 이 패턴이 직접 빌드하는 오케스트레이션을 수행할 수 있습니다.

워크플로 오케스트레이션된 시나리오 세부 정보

이 패턴에서 워크플로 오케스트레이터는 워크로드를 단계의 파이프라인으로 실행합니다. 오케스트레이터는 종료 또는 수렴 조건이 충족될 때까지 단계가 반복되고 반복되는 상태 컴퓨터처럼 동작합니다. 각 단계는 동일한 셰이프를 따릅니다. 입력을 준비하고, 실행하고, 출력을 처리합니다.

오케스트레이터는 각 단계를 실행하는 백 엔드를 선택합니다. 이 선택은 별도의 서비스가 아닌 오케스트레이션 논리의 일부이며 구성에서 각 단계에 대한 대상 백 엔드를 읽는 것만큼 간단할 수 있습니다. 단계는 양자 백 엔드 또는 HPC 클러스터 또는 GPU 컴퓨팅과 같은 클래식 컴퓨팅에서 실행됩니다. 간단한 클래식 단계는 오케스트레이터 자체에서 실행할 수 있습니다. 양자 단계가 반복되면 워크플로는 하나의 양자 실행 결과를 처리하여 다음 양자 프로그램에 대한 매개 변수를 확인하거나 다음 프로그램을 생성하는 입력을 제공합니다.

양자 백 엔드에서 실행되는 단계는 클래식 단계에 없는 한 단계를 추가할 수 있습니다. 이 단계에서는 실행 전에 양자 프로그램을 생성하고 최적화합니다. 이 단계는 선택 사항입니다. 프로그램은 단계의 입력에서 동적으로 생성하거나 이 단계를 건너뛰는 고정된 구현에서 생성할 수 있습니다. 양자에 적합한 단계는 입력에 더 적합할 때 클래식 백 엔드에서 계속 실행될 수 있습니다.

양자 화학이 대표적인 예입니다. 일반적인 파이프라인은 기존 단계를 사용하여 기하 도형 최적화, 자체 일관성 필드 계산 및 활성 공간 선택과 같은 분자 시스템을 준비합니다. 그런 다음 파이프라인은 분자의 지상 상태 에너지와 같은 대상 속성을 계산합니다. 에너지 컴퓨팅 단계는 클래식 근사치 또는 양자 알고리즘에서 실행되는지 여부에 관계없이 동일한 의도를 유지합니다. 필요한 정확도와 문제의 크기에 따라 백 엔드를 선택합니다.

QDK/화학 라이브러리는 다음과 같은 파이프라인을 지원합니다. 라이브러리는 고전적 준비 단계에 대한 모듈식 구성 요소를 제공하고, 고전적으로 계산된 파동기에서 상태 준비 회로를 생성하기 위한 모듈식 구성 요소를 제공하며, 이 회로는 양자 백 엔드가 양자 위상 추정과 같은 알고리즘으로 에너지를 추정하는 데 사용합니다. 이 회로 생성 기능은 단계의 입력에서 동적으로 양자 프로그램을 생성하는 구체적인 예입니다.

잠재적인 사용 사례

워크플로 오케스트레이션된 양자 통합 패턴은 다음과 같은 사용 사례에 적합합니다.

• 고전적 측면은 비중이 크고 문제 상태 논리 중심적이며, 많은 단계 중 한 단계 또는 몇몇 단계에서 양자 역량을 활용합니다.
• 워크로드는 상태 머신과 같이 종종 반복적인 다단계 파이프라인입니다. 각 단계는 HPC, GPU 또는 양자 대상에 가장 적합한 컴퓨팅 백 엔드에서 실행됩니다. 양자 컴퓨팅은 하나 이상의 단계에 대한 한 가지 옵션입니다.
• 양자 단계는 분자 속성을 계산하는 과학적 계산과 같이 잘 정의된 구성 요소입니다. 정확한 양자 코드는 실제 입력에 맞게 동적으로 생성되고 최적화될 수도 있습니다.
• 워크플로 오케스트레이터는 자체 포함된 여러 양자 실행과 이들 간의 클래식 처리를 소유합니다. 한 실행의 결과는 다음 양자 프로그램에 대한 매개 변수를 결정하거나 다음 프로그램을 생성하는 입력을 제공합니다. 반복 단계 추정 은 VQE(변형 양자 아이겐솔버) 및 QAOA(Quantum Approximate Optimization Algorithm)와 같은 변형 알고리즘과 마찬가지로 이 구조에 적합합니다.

고려 사항

이러한 고려 사항은 워크로드의 품질을 개선하는 데 사용할 수 있는 지침 원칙 집합인 Azure Well-Architected Framework의 핵심 요소를 구현합니다. 자세한 내용은 Well-Architected Framework를 참조하세요.

신뢰도

안정성은 애플리케이션이 고객에 대한 약정을 충족할 수 있도록 하는 데 도움이 됩니다. 자세한 내용은 안정성을 위한 디자인 검토 체크리스트를 참조하세요.

양자 작업은 원격 공유 대상에서 실행되므로 대상 시간 제한과 같은 일시적인 오류로 인해 작업 실행이 실패할 수 있습니다. 선택한 통합 패턴에 관계없이 사용자에게 작업 상태를 표시할 수 있도록 작업 실행을 모니터링합니다. 일시적인 오류로 인해 작업이 실패하면 다시 시도 패턴을 적용합니다. 비동기 호출로 작업을 제출하고, 호출한 클라이언트가 차단되지 않도록 결과를 주기적으로 확인합니다.

양자 컴퓨팅 기능의 가용성은 양자 컴퓨팅 공급자의 가용성 및 용량 특성에 따라 크게 달라집니다. 컴퓨팅 대상에 따라 클래식 클라이언트 애플리케이션에서 긴 지연 또는 대상 사용 불가가 발생할 수 있습니다.

주변 Azure 서비스의 경우 일반적인 가용성 고려 사항이 적용됩니다. 필요한 경우 Azure Storage 중복성에서 복제 옵션을 사용하는 것이 좋습니다.

워크플로 오케스트레이션 통합의 안정성

• 워크플로 오케스트레이션 통합의 고가용성을 위해 가용성 영역 또는 여러 지역에 API Management를 배포합니다. 영역 중복을 사용하려면 Premium 또는 Premium v2 계층이 필요하며, 다중 지역 배포를 사용하려면 Premium 계층이 필요합니다.

• Durable Functions 사용하여 오케스트레이터를 구현하는 경우 함수 앱과 해당 상태를 독립 서비스로 처리하는 대신 단위로 재해 복구를 계획합니다. 지속성 함수는 기본적으로 Azure Storage 스토리지 백 엔드의 작업 허브에서 모든 오케스트레이션 상태를 유지합니다. 런타임 상태와 컴퓨팅이 해당 작업 허브를 통해 결합되므로 두 번째 지역에서 함수 앱을 프로비전하고 스토리지를 별도로 복제해도 안전한 장애 조치(failover)가 정의되지 않습니다. 오케스트레이션은 토폴로지에 따라 최근 트랜잭션을 일시 중지하거나 손실하거나 지역 간 작업 허브를 읽을 수 있습니다.

  안전한 장애 조치를 위해 Azure Front Door 또는 Azure Traffic Manager와 같은 전역 부하 분산 서비스를 앞단에 두고 보조 지역으로 장애 조치하도록 구성된 액티브-패시브 구성을 사용합니다. 앱을 API Management 트래픽으로만 제한하는 동일한 제어가 해당 프로브도 차단할 수 있으므로, 적용된 네트워킹 제한하에서 서비스 상태 프로브가 함수 앱에 연결할 수 있는지 확인하세요. 데이터 손실 및 지역 간 대기 시간에 대한 허용 오차와 일치하는 토폴로지 선택 조정된 옵션 및 장단분은 Durable Functions 재해 복구 및 지역 배포를 참조하세요.

안전

보안은 의도적인 공격 및 중요한 데이터 및 시스템의 오용에 대한 보증을 제공합니다. 자세한 내용은 보안을 위한 디자인 검토 체크리스트를 참조하세요.

선택한 통합 패턴에 관계없이 양자 작업을 둘러싸는 클래식 서비스에 다음 강화 사례를 적용합니다.

• Microsoft Entra ID를 사용하여 Azure Quantum 및 주변 서비스에 인증하고 서비스에서 지원하는 로컬 인증을 해제합니다. 호스팅 환경에서 지원하는 모든 위치에서 관리 ID 를 사용합니다. 관리 ID를 사용할 수 없는 클라이언트의 경우 서비스 주체 또는 대화형 사용자 로그인과 같은 다른 Microsoft Entra ID로 인증합니다.

• 스토리지에 액세스하는 각 구성 요소에 대해 해당 구성 요소 범위로 지정된 Microsoft Entra ID를 사용하는 Azure 역할 기반 액세스 제어(Azure RBAC)를 통해 필요한 데이터 평면 액세스 권한을 부여합니다. 애플리케이션 코드에 스토리지 계정 키를 포함하지 마세요.

일반적으로 적절한 경우 Well-Architected Framework 보안 권장 사항을 적용합니다 .

직접 양자 통합을 위한 보안

워크플로 오케스트레이션된 양자 통합과 달리 이 패턴은 단일 클라이언트가 Azure Quantum 작업 영역에 액세스한다고 가정합니다. 클라이언트는 일반적으로 광범위한 워크플로 상태가 아닌 작업 제출 및 작업에 중점을 둔 경량 클래식 도구입니다. 이 시나리오는 다음과 같은 구성으로 이어집니다.

• 클라이언트가 알려지므로 고정 ID를 제공할 수 있습니다. 클라이언트가 Azure 호스트된 리소스에서 실행되는 경우 관리 ID를 연결합니다. 클라이언트가 Azure 외부에서 실행되면 서비스 주체 또는 대화형 사용자 로그인을 사용합니다.

• 클라이언트 자체에서 요청 제한 및 결과 캐싱을 구현할 수 있습니다.

워크플로 오케스트레이션 통합에 대한 보안

직접 양자 통합과 달리 이 패턴은 양자 작업 앞에 클래식 서비스 계층을 배치합니다. API Management는 해당 계층의 현관문이므로 보안 구성은 진입점 및 양자 작업 영역의 경로를 보호하는 것을 강조합니다.

• 클라이언트는 API에 인증해야 합니다. 인증 정책을 사용하여 이 인증을 구현합니다.

• 함수와 연결된 관리 ID를 통해 Azure 함수의 인증을 구현할 수 있습니다. 이러한 ID를 사용하여 Azure Quantum 작업 영역에 대한 아웃바운드 호출을 인증합니다.

• API Management는 요청 제한을 적용하여 양자 백 엔드를 보호하고 양자 리소스 사용을 제한할 수 있습니다. 자세한 내용은 API Management 요청 제한을 참조하세요.

• 요청 패턴에 따라API Management 캐싱 정책을 사용하여 양자 컴퓨팅 결과의 캐싱을 구현할 수 있습니다.

비용 최적화

비용 최적화는 불필요한 비용을 줄이고 운영 효율성을 개선하는 방법에 중점을 둡니다. 자세한 내용은 비용 최적화를 위한 디자인 검토 체크리스트 참조하세요.

이 솔루션의 전체 비용은 양자 작업을 실행하기 위해 선택한 양자 컴퓨팅 대상에 따라 달라집니다. 클래식 구성 요소는 쉽게 예측할 수 있습니다. 워크플로 오케스트레이션 패턴의 대표적인 배포는 API Management, Azure Functions 및 Storage를 비롯한 클래식 구성 요소를 다루는 이 예제 비용 예측값을 참조하세요. 직접 통합 패턴은 더 가벼우지만 기존 비용에는 여전히 스토리지와 클라이언트 애플리케이션에서 사용하는 호스팅, 네트워킹 및 모니터링이 포함됩니다.

Microsoft Marketplace 제품을 통해 Azure Quantum 양자 컴퓨팅 공급자를 사용할 수 있습니다. 가격 책정은 리소스 유형(시뮬레이터 또는 하드웨어), SKU 및 사용량에 따라 달라집니다. 자세한 내용은 Azure Quantum의 양자 컴퓨팅 공급자에서 해당 시나리오의 공급자에 대한 참조 페이지를 확인하세요.

참여자

Microsoft는 이 문서를 유지 관리합니다. 다음 기여자는 이 문서를 작성했습니다.

주 작성자:

• 잔더 초크론 | 수석 소프트웨어 엔지니어, Microsoft Quantum

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다음 단계

• Microsoft 양자 컴퓨팅 에코시스템에 대한 개요는 Microsoft Quantum 웹 사이트를 참조하고 Quantum 컴퓨팅 기반 학습 경로를 완료합니다.
• Azure Quantum 서비스에 대한 자세한 내용은 Azure Quantum?을 참조하세요.
• Azure Quantum 작업 관리에 대한 일반적인 내용은 Azure Quantum 작업 작업 참조하세요.
• 작업에서 클래식 및 양자 지침을 결합하는 방법에 대한 자세한 내용은 하이브리드 양자 컴퓨팅 소개를 참조하세요.

관련 리소스

• 운영 우수성 디자인 원칙
• 비동기 Request-Reply 패턴

일부 계산 문제는 대형 슈퍼컴퓨터에서도 클래식 컴퓨터에서 해결할 수 없거나 난해합니다. 이러한 문제 중 일부의 경우 양자 알고리즘은 가장 잘 알려진 클래식 접근 방식보다 훨씬 적은 리소스를 사용하여 솔루션에 도달할 수 있습니다. 양자 컴퓨터는 중첩 및 얽힘과 같은 양자 기계적 효과를 사용하여 클래식 컴퓨터가 할 수 없는 방식으로 정보를 나타내고 처리합니다.

양자 프로그램은 작업을 제출하여 도달하는 양자 공급자 에서 실행됩니다. 양자 대상은 서로 다른 대상 프로필을 노출합니다. 일부 프로필은 양자 작업만 허용하며, 이 프로필에서 실행할 수 있는 클래식 논리는 제한적입니다. 다른 프로필을 사용하면 양자 및 클래식 연산을 공급자에서 함께 실행할 수 있습니다.

대상 프로필에 관계없이 클래식 컴퓨팅 구성 요소는 주변 애플리케이션 통합을 처리합니다. 양자 대상이 클래식 작업을 수락하더라도 작업을 제출하고 결과를 대기하여 대상에 도달합니다. 이 문서에서는 양자 작업을 클래식 애플리케이션과 통합하기 위한 두 가지 오케스트레이션 모델을 설명하고 비교합니다.

실제로 양자 프로그램을 실행하는 것은 서비스 호출입니다. 클래식 애플리케이션 또는 클라이언트 코드는 대상에 작업을 제출하고, 작업이 실행되기를 기다렸다가 결과를 검색합니다. 하나 이상의 클래식 컴퓨팅 구성 요소는 다음 작업을 수행하여 각 양자 작업을 오케스트레이션합니다.

• 입력 데이터 준비
• 대상 양자 환경에 양자 컴퓨팅 작업 제출
• 작업 실행 모니터링
• 후처리 작업 결과

양자 통합 모델

다음 두 가지 오케스트레이션 패턴 중 하나를 사용하여 양자 작업을 클래식 애플리케이션과 통합합니다.

• 직접 양자 통합. 클라이언트 애플리케이션 또는 경량 클래식 하네스는 Azure Quantum 작업 영역과 직접 상호 작용합니다. 클라이언트는 입력 준비, 작업 제출, 모니터링, 결과 처리 및 양자 실행을 둘러싼 클래식 논리를 소유합니다.

• 워크플로로 오케스트레이션된 양자 통합. 워크플로 오케스트레이터는 전체 상태 및 전환을 소유합니다. 양자 실행은 HPC(고성능 컴퓨팅) 또는 GPU(그래픽 처리 장치) 컴퓨팅에서 실행되는 단계와 함께 실행되는 워크플로 단계에서 발생합니다.

지정된 애플리케이션 통합 경계의 경우 이러한 패턴이 대안입니다. 클라이언트가 작업 영역과 직접 통합되거나 더 광범위한 워크플로가 양자 단계를 소유합니다. 이 문서에서는 각 패턴의 구현에 대해 설명합니다.

메모

이 문서의 아키텍처는 양자 대상에서 컴퓨팅 작업의 일부를 실행합니다. 일부 컴퓨팅 과제의 경우 고성능 컴퓨팅 을 수행하거나 AI 기능을 제공하도록 빌드된 기존 서비스가 대안이 될 수 있습니다.

통합 선택은 클래식 계산이 실행되는 위치와 독립적입니다. 대상 프로필 및 워크로드에 따라 클래식 논리는 양자 프로그램 내에서, 클라이언트에서 양자 실행 간, 워크플로 오케스트레이터 또는 HPC 또는 GPU 컴퓨팅의 클래식 워크플로 단계에서 실행할 수 있습니다.

의사 결정 매트릭스

다음 의사 결정 매트릭스를 사용하여 통합 패턴 선택을 안내합니다.

워크로드에 이러한 특성이 있는 경우	이 방법 사용
하나의 애플리케이션 또는 경량 하네스는 전체 양자 작업 수명 주기를 소유하며 입력 준비 및 결과 처리는 해당 클라이언트 내에 적합합니다.	직접 양자 통합
필기 양자 코드를 사용하여 양자 하드웨어의 속성을 살펴보고, 하나의 애플리케이션 또는 작은 관련 애플리케이션 집합이 결과를 사용합니다.	직접 양자 통합
고전적 측면은 비중이 크고 리소스 소모도 많으며, HPC, GPU 또는 양자 타깃처럼 각 단계에 적합한 백엔드에서 실행되는 다단계 파이프라인에서 양자 컴퓨팅을 여러 단계 중 하나로 활용합니다.	워크플로 기반 양자 통합
양자 실행은 반복되고, 한 실행의 결과는 다음 양자 프로그램을 생성하거나 해당 매개 변수를 결정합니다.	워크플로 기반 양자 통합

시나리오 세부 정보

두 워크플로 모두 비동기 Request-Reply 패턴과 Azure Quantum 작업 수명 주기에 대해 정의된 단계를 구현합니다.

양자 대상, 특히 양자 하드웨어는 제한된 리소스입니다. Azure Quantum 작업 큐를 통해 이러한 리소스를 할당합니다. 작업을 제출하면 선택한 대상의 대기열에 들어가며, 그 대상이 앞선 항목들을 완료한 후 실행됩니다. 예상 대기 시간을 보려면 사용 가능한 대상을 나열합니다. 큐 대기와 작업 실행 시간으로 전체 응답 시간을 계산합니다.

양자 대상의 기능도 다양합니다. 일부 대상은 양자 작업만 허용하는 반면, 다른 대상은 단일 작업에서 양자 연산을 사용하여 클래식 논리를 실행합니다. 이 모델은 실행 중에 적응하는 알고리즘을 지원합니다. 대상에 커밋하기 전에 알고리즘에 필요한 작업을 지원하는지 확인합니다. 클래식 및 양자 명령이 함께 실행되는 방법에 대한 자세한 내용은 하이브리드 양자 컴퓨팅 소개를 참조하세요.

메모

이러한 패턴은 양자 작업을 애플리케이션 아키텍처에 통합하는 방법을 설명합니다. 클래식 및 양자 계산이 양자 작업 내에서 상호 작용하는 방식을 설명하는 Azure Quantum 하이브리드 컴퓨팅 모델과는 다릅니다. 대상 프로필은 이러한 작업 내에서 실행할 수 있는 작업을 제한합니다. 자세한 내용은 하이브리드 양자 컴퓨팅 소개를 참조하세요. 애플리케이션 통합 패턴은 작업 내 동작과 독립적이며 클라이언트 또는 워크플로가 양자 작업을 실행하는지 여부를 제어합니다.

직접 양자 통합

다음 섹션에서는 양자 작업을 클래식 애플리케이션과 통합하기 위한 직접 통합 모델에 대해 설명합니다.

건축학

다이어그램은 직접 양자 통합을 위한 워크플로를 보여줍니다. 왼쪽 위에는 사용자 아이콘이 Sign-in이라고 표시된 점선으로 Microsoft Entra ID 아이콘에 연결되어 있습니다. 1이라고 표시된 화살표가 사용자에서 클라이언트 앱 아이콘이 포함된 Front end라고 표시된 상자까지 이어집니다. 프런트 엔드 박스는 ‘Authentication’이라고 표시된 점선으로 Microsoft Entra ID 아이콘에 연결됩니다. 2라고 표시된 화살표는 Front end 상자에서 Storage account 아이콘이 들어 있는 'Storage'라고 표시된 상자로 이어집니다. 3이라고 표시된 화살표는 Front end 상자에서 Provider 아이콘이 포함된 Azure Quantum workspace라고 레이블이 지정된 상자로 이어집니다. 양방향 화살표가 있는 4라고 표시된 선이 Provider 아이콘과 Target 아이콘 두 개가 들어 있는 Quantum provider service라고 표시된 상자 사이에 있습니다. 5라는 레이블이 지정된 화살표는 프런트 엔드 상자에서 Azure Quantum 작업 영역 상자로 이동합니다. 양방향 화살표가 있는 파선은 Azure Quantum 작업 영역 상자와 스토리지 상자를 연결합니다. 6으로 표시된 화살표가 스토리지 박스에서 프런트엔드 박스로 다시 이어집니다.

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데이터 흐름

다음 데이터 흐름은 이전 다이어그램에 해당합니다.

1. 로그인한 사용자는 클래식 클라이언트 애플리케이션을 통해 양자 작업 실행을 트리거합니다.

2. 클라이언트 애플리케이션은 데이터를 Azure Storage 입력합니다.

3. 클라이언트 애플리케이션은 실행 대상 또는 대상을 지정하여 Azure Quantum 작업 영역에 작업을 제출합니다.

   클라이언트는 구성에서 작업 영역을 식별하고 Microsoft Entra ID를 사용하여 작업 영역에 인증합니다. Azure 호스트된 리소스에서 실행되는 클라이언트는 관리 ID를 사용할 수 있습니다. 로컬 클라이언트 애플리케이션은 서비스 주체 또는 대화형 사용자 로그인과 같은 다른 Microsoft Entra ID로 인증합니다.

4. 양자 공급자는 대상 환경에서 작업을 실행합니다.

5. 클라이언트 애플리케이션은 작업 상태를 폴링하여 작업 실행을 모니터링합니다.

6. 양자 작업이 완료되는 즉시 클라이언트 애플리케이션은 Storage에서 컴퓨팅 결과를 가져옵니다.

구성 요소

• Azure Quantum 다양한 대상에서 양자 작업 실행과 연결된 자산에 대해 Azure 포털에서 액세스할 수 있는 workspace 제공합니다. 작업은 선택한 공급자에 따라 양자 시뮬레이터 또는 양자 하드웨어에서 실행됩니다.
• Microsoft Entra ID 사용자 인증을 조정하고 Azure Quantum 작업 영역에 대한 액세스를 보호합니다.
• Storage 는 양자 공급자의 입력 데이터 및 결과를 위한 스토리지를 제공합니다.

직접 통합 잠재적 사용 사례

직접 양자 통합 패턴은 다음과 같은 사용 사례에 적합합니다.

• 하나의 클라이언트 애플리케이션 또는 경량 클래식 하네스가 더 큰 워크플로 없이 양자 작업의 전체 수명 주기를 전적으로 관리합니다.
• 클라이언트는 입력 준비 및 결과 처리와 같은 기존 작업을 실행할 수 있습니다.
• 양자 하드웨어의 속성을 탐색하므로 일반적으로 동적으로 생성하지 않고 양자 코드를 직접 작성합니다.
• 양자 구성 요소의 사용은 단일 애플리케이션 또는 작은 관련 애플리케이션 집합으로 제한됩니다.
• 양자 작업은 하나의 특수한 클래식 애플리케이션만 사용하는 분자 시뮬레이션과 같은 특수 솔루션을 나타냅니다.

워크플로 기반 양자 통합

다음 섹션에서는 양자 작업을 클래식 애플리케이션과 통합하기 위한 워크플로 오케스트레이션 모델에 대해 설명합니다.

건축학

워크플로 논리는 특정 호스트 또는 공급자에 의존하지 않습니다. 다음 순서도는 상태 머신, 즉 단일 입력, 단계에 대한 반복, 그리고 각 단계의 페이즈를 보여줍니다. 양자 분기에는 클래식 단계에서 사용하지 않는 선택적 프로그램 생성 및 최적화 단계가 포함될 수 있습니다.

순서도는 워크플로 오케스트레이션된 양자 통합을 위한 데이터 흐름을 보여줍니다. 입력 항목은 Advance to next step 항목으로 이어지고, 이는 다음 단계가 포함된 Step이라고 표시된 상자로 연결됩니다. 입력 준비 작업은 백엔드 선택 결정 지점으로 이어지며, 이 지점은 위쪽의 quantum이라고 표시된 영역 또는 아래쪽의 classical이라고 표시된 영역을 가리킵니다. 양자 섹션에는 양자 프로그램 생성 및 최적화(선택 사항)라는 레이블이 지정된 프로세스와 양자 백 엔드에서 실행이라는 레이블이 지정된 프로세스가 포함되어 있습니다. 클래식 섹션에는 클래식 백 엔드(HPC, GPU, 로컬 또는 기타)에서 실행이라는 레이블이 지정된 프로세스가 포함되어 있습니다. 그런 다음 두 경로 모두 출력 처리라는 레이블이 지정된 프로세스로 연결됩니다. 그런 다음 흐름이 단계 상자를 종료하고 추가 단계라는 레이블이 지정된 의사 결정 지점을 가리킵니다. 예라고 레이블이 지정된 경로는 다음 단계 항목으로의 진행을 다시 가리킵니다. 'no'라고 레이블이 지정된 경로는 'Final output'이라고 레이블이 지정된 종결자로 이어집니다.

이전 순서도의 백 엔드 선택기는 필수 구성 요소가 아닌 논리적 단계이며 각 단계를 고정 백 엔드 형식으로 라우팅하는 구성 조회일 수 있습니다.

양자 작업을 제출하고 모니터링하는 클래식 서비스 집합을 사용하여 Azure 이 워크플로를 호스트할 수 있습니다. 다음 다이어그램은 예제 토폴로지입니다.

왼쪽 위에 있는 클라이언트 앱 상자는 'Sign-in'이라고 표시된 점선으로 Microsoft Entra ID 아이콘에 연결됩니다. 인증된 요청 레이블이 지정된 화살표와 1은 클라이언트 앱 상자에서 API Management라는 레이블이 지정된 상자로 이동합니다. API Management 상자는 파선이 있는 Microsoft Entra ID 아이콘에 연결합니다. 2라고 표시된 화살표는 API Management 상자에서 Function apps라고 표시된 상자 안에 있는 Input API라고 표시된 아이콘으로 이어집니다. 레이블이 3인 화살표는 함수 앱 상자 내의 워크플로 오케스트레이터(Durable Functions)라는 레이블이 지정된 아이콘에서 로컬 컴퓨팅, HPC 클러스터(Azure Batch) 및 GPU 컴퓨팅이라는 레이블이 지정된 상자가 포함된 클래식 컴퓨팅 백 엔드 상자로 이동합니다. 레이블이 4인 화살표는 클래식 컴퓨팅 백 엔드 상자에서 Azure Storage 아이콘이 포함된 결과 및 상태라는 레이블이 지정된 상자로 이동합니다. 레이블이 5인 화살표는 함수 앱 상자의 워크플로 오케스트레이터 아이콘에서 Azure Quantum 아이콘이 포함된 Azure Quantum 작업 영역 레이블이 지정된 상자로 이동합니다. 레이블이 6인 화살표는 Azure Quantum 작업 영역 상자에서, Targets라고 레이블된 두 개의 아이콘이 들어 있는 Quantum target 상자까지 이어집니다. 레이블이 7인 화살표는 Quantum 대상 상자에서 결과 및 상태 상자로 이동합니다. 레이블이 8인 화살표는 결과 및 상태 상자에서 함수 앱 상자로 돌아갑니다. 레이블이 9인 화살표는 왼쪽의 API Management 상자에서 함수 앱 상자의 상태 API라는 레이블이 지정된 아이콘으로 이동합니다.

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데이터 흐름

다음 데이터 흐름은 배포 토폴로지와 일치합니다.

1. 클라이언트 애플리케이션은 Microsoft Entra ID 사용하여 호출자를 인증하고 요청이 컴퓨팅 계층에 도달하기 전에 제한을 적용하는 API Management를 통해 요청을 제출합니다.
2. API Management는 요청의 유효성을 검사하고 워크플로 오케스트레이터를 시작하는 HTTP 트리거 함수인 Input API에 요청을 전달합니다.
3. 클래식적으로 실행되는 단계의 경우 오케스트레이터는 HPC 클러스터 또는 GPU 컴퓨팅과 같은 클래식 백 엔드로 실행을 라우팅합니다.
4. 클래식 백 엔드는 결과와 업데이트된 파이프라인 상태를 Storage에 씁니다.
5. 양자에서 실행되는 단계의 경우 오케스트레이터는 양자 경로를 통해 실행을 라우팅합니다. 양자 경로는 단계의 입력을 바탕으로 단계 프로그램을 생성하고 최적화하거나 고정된 구현을 사용해 이를 준비한 다음, 해당 작업을 Azure Quantum 워크스페이스에 제출합니다. 제출은 관리 ID를 통해 인증됩니다.
6. 작업 영역은 선택한 양자 대상에서 작업을 실행합니다.
7. 양자 대상은 스토리지에 결과를 씁니다.
8. 오케스트레이터는 업데이트된 상태 스토리지를 읽고 파이프라인의 전환 논리를 평가합니다. 수렴 또는 반복 조건에 다른 양자 실행이 필요한 경우 오케스트레이터는 결과를 사용하여 다음 양자 프로그램에 대한 매개 변수를 확인하거나 다음 프로그램을 생성하는 입력을 제공합니다. 그러면 파이프라인이 해당 단계로 다시 되돌아갑니다.
9. 클라이언트는 API Management를 통해 상태 API를 폴링하여 진행률을 추적하고 파이프라인이 터미널 상태에 도달하면 최종 결과를 검색합니다.

구성 요소

• Durable Functions 워크플로 오케스트레이터 역할을 하여 파이프라인을 상태 컴퓨터로 실행하고, 단계를 조정하고, 각 단계의 실행에 대한 양자 또는 기타 컴퓨팅 유형 백 엔드를 선택합니다. Durable Functions 또는 다른 워크플로 엔진을 사용하여 오케스트레이터를 구현할 수 있습니다.
• Azure HPC 및 GPU 클래식 컴퓨팅 백 엔드는 비퀀텀 단계를 실행합니다.
• Azure Functions 워크플로를 실행하는 오케스트레이터와 함께 워크플로를 시작하고 모니터링하는 HTTP API를 호스트합니다.
• API Management 는 클라이언트 요청의 진입점입니다. 호출자를 인증하고 스로틀링을 적용합니다. 함수 앱이 직접 호출되지 않도록 하려면 API Management의 트래픽만 허용하도록 인바운드 액세스 제한 또는 프라이빗 엔드포인트와 같은 Azure Functions 네트워킹 옵션을 사용합니다.
• Azure Quantum 실행 중인 양자 작업과 연결된 자산에 대한 작업 영역을 제공합니다. 작업은 선택한 대상에 따라 양자 시뮬레이터 또는 양자 하드웨어에서 실행됩니다.
• Microsoft Entra ID 인증을 조정하고 Azure Quantum 작업 영역에 대한 액세스를 보호합니다.
• 스토리지 는 입력 데이터, 중간 파이프라인 상태 및 결과를 저장합니다.

대안

이 문서의 아키텍처는 양자 대상에서 컴퓨팅 작업의 일부를 실행합니다. 일부 컴퓨팅 과제의 경우 고성능 컴퓨팅 을 수행하거나 AI 기능을 제공하도록 빌드된 기존 서비스가 대안이 될 수 있습니다.

과학 연구개발 워크로드의 경우, Microsoft Discovery는 AI를 사용하여 모델, 도구 및 컴퓨팅 리소스 전반에 걸쳐 복잡한 작업을 조율합니다. Microsoft 검색은 다중 단계 파이프라인에서 다양한 도구를 조정할 수 있으며 확장 가능하므로 오케스트레이션을 직접 빌드하고 운영하는 대신 고유한 도구와 에이전트를 연결할 수 있습니다. 양자 단계 실행을 비롯한 양자 기능과의 통합은 AI를 사용하여 이 패턴이 직접 빌드하는 오케스트레이션을 수행할 수 있습니다.

워크플로 오케스트레이션된 시나리오 세부 정보

이 패턴에서 워크플로 오케스트레이터는 워크로드를 단계의 파이프라인으로 실행합니다. 오케스트레이터는 종료 또는 수렴 조건이 충족될 때까지 단계가 반복되고 반복되는 상태 컴퓨터처럼 동작합니다. 각 단계는 동일한 셰이프를 따릅니다. 입력을 준비하고, 실행하고, 출력을 처리합니다.

오케스트레이터는 각 단계를 실행하는 백 엔드를 선택합니다. 이 선택은 별도의 서비스가 아닌 오케스트레이션 논리의 일부이며 구성에서 각 단계에 대한 대상 백 엔드를 읽는 것만큼 간단할 수 있습니다. 단계는 양자 백 엔드 또는 HPC 클러스터 또는 GPU 컴퓨팅과 같은 클래식 컴퓨팅에서 실행됩니다. 간단한 클래식 단계는 오케스트레이터 자체에서 실행할 수 있습니다. 양자 단계가 반복되면 워크플로는 하나의 양자 실행 결과를 처리하여 다음 양자 프로그램에 대한 매개 변수를 확인하거나 다음 프로그램을 생성하는 입력을 제공합니다.

양자 백 엔드에서 실행되는 단계는 클래식 단계에 없는 한 단계를 추가할 수 있습니다. 이 단계에서는 실행 전에 양자 프로그램을 생성하고 최적화합니다. 이 단계는 선택 사항입니다. 프로그램은 단계의 입력에서 동적으로 생성하거나 이 단계를 건너뛰는 고정된 구현에서 생성할 수 있습니다. 양자에 적합한 단계는 입력에 더 적합할 때 클래식 백 엔드에서 계속 실행될 수 있습니다.

양자 화학이 대표적인 예입니다. 일반적인 파이프라인은 기존 단계를 사용하여 기하 도형 최적화, 자체 일관성 필드 계산 및 활성 공간 선택과 같은 분자 시스템을 준비합니다. 그런 다음 파이프라인은 분자의 지상 상태 에너지와 같은 대상 속성을 계산합니다. 에너지 컴퓨팅 단계는 클래식 근사치 또는 양자 알고리즘에서 실행되는지 여부에 관계없이 동일한 의도를 유지합니다. 필요한 정확도와 문제의 크기에 따라 백 엔드를 선택합니다.

QDK/화학 라이브러리는 다음과 같은 파이프라인을 지원합니다. 라이브러리는 고전적 준비 단계에 대한 모듈식 구성 요소를 제공하고, 고전적으로 계산된 파동기에서 상태 준비 회로를 생성하기 위한 모듈식 구성 요소를 제공하며, 이 회로는 양자 백 엔드가 양자 위상 추정과 같은 알고리즘으로 에너지를 추정하는 데 사용합니다. 이 회로 생성 기능은 단계의 입력에서 동적으로 양자 프로그램을 생성하는 구체적인 예입니다.

잠재적인 사용 사례

워크플로 오케스트레이션된 양자 통합 패턴은 다음과 같은 사용 사례에 적합합니다.

• 고전적 측면은 비중이 크고 문제 상태 논리 중심적이며, 많은 단계 중 한 단계 또는 몇몇 단계에서 양자 역량을 활용합니다.
• 워크로드는 상태 머신과 같이 종종 반복적인 다단계 파이프라인입니다. 각 단계는 HPC, GPU 또는 양자 대상에 가장 적합한 컴퓨팅 백 엔드에서 실행됩니다. 양자 컴퓨팅은 하나 이상의 단계에 대한 한 가지 옵션입니다.
• 양자 단계는 분자 속성을 계산하는 과학적 계산과 같이 잘 정의된 구성 요소입니다. 정확한 양자 코드는 실제 입력에 맞게 동적으로 생성되고 최적화될 수도 있습니다.
• 워크플로 오케스트레이터는 자체 포함된 여러 양자 실행과 이들 간의 클래식 처리를 소유합니다. 한 실행의 결과는 다음 양자 프로그램에 대한 매개 변수를 결정하거나 다음 프로그램을 생성하는 입력을 제공합니다. 반복 단계 추정 은 VQE(변형 양자 아이겐솔버) 및 QAOA(Quantum Approximate Optimization Algorithm)와 같은 변형 알고리즘과 마찬가지로 이 구조에 적합합니다.

고려 사항

이러한 고려 사항은 워크로드의 품질을 개선하는 데 사용할 수 있는 지침 원칙 집합인 Azure Well-Architected Framework의 핵심 요소를 구현합니다. 자세한 내용은 Well-Architected Framework를 참조하세요.

신뢰도

안정성은 애플리케이션이 고객에 대한 약정을 충족할 수 있도록 하는 데 도움이 됩니다. 자세한 내용은 안정성을 위한 디자인 검토 체크리스트를 참조하세요.

양자 작업은 원격 공유 대상에서 실행되므로 대상 시간 제한과 같은 일시적인 오류로 인해 작업 실행이 실패할 수 있습니다. 선택한 통합 패턴에 관계없이 사용자에게 작업 상태를 표시할 수 있도록 작업 실행을 모니터링합니다. 일시적인 오류로 인해 작업이 실패하면 다시 시도 패턴을 적용합니다. 비동기 호출로 작업을 제출하고, 호출한 클라이언트가 차단되지 않도록 결과를 주기적으로 확인합니다.

양자 컴퓨팅 기능의 가용성은 양자 컴퓨팅 공급자의 가용성 및 용량 특성에 따라 크게 달라집니다. 컴퓨팅 대상에 따라 클래식 클라이언트 애플리케이션에서 긴 지연 또는 대상 사용 불가가 발생할 수 있습니다.

주변 Azure 서비스의 경우 일반적인 가용성 고려 사항이 적용됩니다. 필요한 경우 Azure Storage 중복성에서 복제 옵션을 사용하는 것이 좋습니다.

워크플로 오케스트레이션 통합의 안정성

• 워크플로 오케스트레이션 통합의 고가용성을 위해 가용성 영역 또는 여러 지역에 API Management를 배포합니다. 영역 중복을 사용하려면 Premium 또는 Premium v2 계층이 필요하며, 다중 지역 배포를 사용하려면 Premium 계층이 필요합니다.

• Durable Functions 사용하여 오케스트레이터를 구현하는 경우 함수 앱과 해당 상태를 독립 서비스로 처리하는 대신 단위로 재해 복구를 계획합니다. 지속성 함수는 기본적으로 Azure Storage 스토리지 백 엔드의 작업 허브에서 모든 오케스트레이션 상태를 유지합니다. 런타임 상태와 컴퓨팅이 해당 작업 허브를 통해 결합되므로 두 번째 지역에서 함수 앱을 프로비전하고 스토리지를 별도로 복제해도 안전한 장애 조치(failover)가 정의되지 않습니다. 오케스트레이션은 토폴로지에 따라 최근 트랜잭션을 일시 중지하거나 손실하거나 지역 간 작업 허브를 읽을 수 있습니다.

  안전한 장애 조치를 위해 Azure Front Door 또는 Azure Traffic Manager와 같은 전역 부하 분산 서비스를 앞단에 두고 보조 지역으로 장애 조치하도록 구성된 액티브-패시브 구성을 사용합니다. 앱을 API Management 트래픽으로만 제한하는 동일한 제어가 해당 프로브도 차단할 수 있으므로, 적용된 네트워킹 제한하에서 서비스 상태 프로브가 함수 앱에 연결할 수 있는지 확인하세요. 데이터 손실 및 지역 간 대기 시간에 대한 허용 오차와 일치하는 토폴로지 선택 조정된 옵션 및 장단분은 Durable Functions 재해 복구 및 지역 배포를 참조하세요.

안전

보안은 의도적인 공격 및 중요한 데이터 및 시스템의 오용에 대한 보증을 제공합니다. 자세한 내용은 보안을 위한 디자인 검토 체크리스트를 참조하세요.

선택한 통합 패턴에 관계없이 양자 작업을 둘러싸는 클래식 서비스에 다음 강화 사례를 적용합니다.

• Microsoft Entra ID를 사용하여 Azure Quantum 및 주변 서비스에 인증하고 서비스에서 지원하는 로컬 인증을 해제합니다. 호스팅 환경에서 지원하는 모든 위치에서 관리 ID 를 사용합니다. 관리 ID를 사용할 수 없는 클라이언트의 경우 서비스 주체 또는 대화형 사용자 로그인과 같은 다른 Microsoft Entra ID로 인증합니다.

• 스토리지에 액세스하는 각 구성 요소에 대해 해당 구성 요소 범위로 지정된 Microsoft Entra ID를 사용하는 Azure 역할 기반 액세스 제어(Azure RBAC)를 통해 필요한 데이터 평면 액세스 권한을 부여합니다. 애플리케이션 코드에 스토리지 계정 키를 포함하지 마세요.

일반적으로 적절한 경우 Well-Architected Framework 보안 권장 사항을 적용합니다 .

직접 양자 통합을 위한 보안

워크플로 오케스트레이션된 양자 통합과 달리 이 패턴은 단일 클라이언트가 Azure Quantum 작업 영역에 액세스한다고 가정합니다. 클라이언트는 일반적으로 광범위한 워크플로 상태가 아닌 작업 제출 및 작업에 중점을 둔 경량 클래식 도구입니다. 이 시나리오는 다음과 같은 구성으로 이어집니다.

• 클라이언트가 알려지므로 고정 ID를 제공할 수 있습니다. 클라이언트가 Azure 호스트된 리소스에서 실행되는 경우 관리 ID를 연결합니다. 클라이언트가 Azure 외부에서 실행되면 서비스 주체 또는 대화형 사용자 로그인을 사용합니다.

• 클라이언트 자체에서 요청 제한 및 결과 캐싱을 구현할 수 있습니다.

워크플로 오케스트레이션 통합에 대한 보안

직접 양자 통합과 달리 이 패턴은 양자 작업 앞에 클래식 서비스 계층을 배치합니다. API Management는 해당 계층의 현관문이므로 보안 구성은 진입점 및 양자 작업 영역의 경로를 보호하는 것을 강조합니다.

• 클라이언트는 API에 인증해야 합니다. 인증 정책을 사용하여 이 인증을 구현합니다.

• 함수와 연결된 관리 ID를 통해 Azure 함수의 인증을 구현할 수 있습니다. 이러한 ID를 사용하여 Azure Quantum 작업 영역에 대한 아웃바운드 호출을 인증합니다.

• API Management는 요청 제한을 적용하여 양자 백 엔드를 보호하고 양자 리소스 사용을 제한할 수 있습니다. 자세한 내용은 API Management 요청 제한을 참조하세요.

• 요청 패턴에 따라API Management 캐싱 정책을 사용하여 양자 컴퓨팅 결과의 캐싱을 구현할 수 있습니다.

비용 최적화

비용 최적화는 불필요한 비용을 줄이고 운영 효율성을 개선하는 방법에 중점을 둡니다. 자세한 내용은 비용 최적화를 위한 디자인 검토 체크리스트 참조하세요.

이 솔루션의 전체 비용은 양자 작업을 실행하기 위해 선택한 양자 컴퓨팅 대상에 따라 달라집니다. 클래식 구성 요소는 쉽게 예측할 수 있습니다. 워크플로 오케스트레이션 패턴의 대표적인 배포는 API Management, Azure Functions 및 Storage를 비롯한 클래식 구성 요소를 다루는 이 예제 비용 예측값을 참조하세요. 직접 통합 패턴은 더 가벼우지만 기존 비용에는 여전히 스토리지와 클라이언트 애플리케이션에서 사용하는 호스팅, 네트워킹 및 모니터링이 포함됩니다.

Microsoft Marketplace 제품을 통해 Azure Quantum 양자 컴퓨팅 공급자를 사용할 수 있습니다. 가격 책정은 리소스 유형(시뮬레이터 또는 하드웨어), SKU 및 사용량에 따라 달라집니다. 자세한 내용은 Azure Quantum의 양자 컴퓨팅 공급자에서 해당 시나리오의 공급자에 대한 참조 페이지를 확인하세요.

참여자

Microsoft는 이 문서를 유지 관리합니다. 다음 기여자는 이 문서를 작성했습니다.

주 작성자:

• 잔더 초크론 | 수석 소프트웨어 엔지니어, Microsoft Quantum

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다음 단계

• Microsoft 양자 컴퓨팅 에코시스템에 대한 개요는 Microsoft Quantum 웹 사이트를 참조하고 Quantum 컴퓨팅 기반 학습 경로를 완료합니다.
• Azure Quantum 서비스에 대한 자세한 내용은 Azure Quantum?을 참조하세요.
• Azure Quantum 작업 관리에 대한 일반적인 내용은 Azure Quantum 작업 작업 참조하세요.
• 작업에서 클래식 및 양자 지침을 결합하는 방법에 대한 자세한 내용은 하이브리드 양자 컴퓨팅 소개를 참조하세요.

관련 리소스

• 운영 우수성 디자인 원칙
• 비동기 Request-Reply 패턴