Klasik bilgi işlem, en güçlü süper bilgisayarlarımızın ölçeğinde bile günümüzün en karmaşık işlem sorunlarıyla giderek daha fazla zorlanıyor. Kuantum bilgisayarlar, işlem yeteneklerimizi önemli ölçüde genişletme sözüne sahiptir. Hesaplamalar gerçekleştirmek için kuantum fiziğinin özelliklerinden yararlanarak belirli sorun türleri için üstel hızlandırmalar sağlar. Örneğin, kuantum bilgisayarlar genellikle iyileştirme, simülasyon veya makine öğrenmesi senaryolarında bulunan çok sayıda olası bileşimi hesaplamayı gerektiren sorunlarla son derece iyi sonuç verir.
Ancak kuantum bilişim bileşenleri klasik yazılımlardan farklı bir işletim modeline sahiptir. Genellikle kuantum bileşenlerinin yürütülmesini düzenleyen bir veya daha fazla klasik işlem bileşeni vardır. Bu düzenleme aşağıdaki etkinlikleri içerir:
- Giriş verilerinin hazırlanması
- Kuantum bilişim işlerinin hedef kuantum ortamına gönderilmesi
- İş yürütmeyi izleme
- İş sonuçlarının işlenmesi sonrası
Bu düzenlemeyi klasik uygulamalarla iki yoldan biriyle tümleştirebilirsiniz:
- Sıkı bağlantı yoluyla tümleştirme. Kuantum kaynaklarını düzenleme mantığı klasik bileşen veya bileşenlerle tümleştirilir.
- Gevşek bağlantı yoluyla tümleştirme. Kuantum kaynaklarını düzenleme mantığı, çeşitli klasik yazılım bileşenleri tarafından çağrılabilen bir API olarak kullanıma sunulur.
Bu makalede, bu tasarımların her birinde kuantum uygulamalarının nasıl uygulandığı açıklanmaktadır. Her uygulama, kuantum bilişim altyapısı olarak Azure Quantum kullanır, ancak aşağıda açıklandığı gibi diğer açılardan biraz farklılık gösterir.
Sıkı bir şekilde bağlanmış yaklaşım
Olası kullanım örnekleri
Sıkı bir şekilde bağlanmış yaklaşım şu durumlarda tercih edilir:
- Bir ekip hem kuantum koduna hem de klasik koda sahip olur ve kod tümleştirilir.
- Kuantum bileşenleri klasik bileşenlerle aynı yaşam döngüsünü paylaşır.
- Kuantum bileşenlerinin kullanımı tek bir uygulama veya küçük bir ilgili uygulama kümesiyle sınırlıdır.
- Kuantum işi, yalnızca bir özelleştirilmiş klasik uygulama tarafından kullanılacak özel bir çözümü (örneğin, moleküler simülasyon) temsil eder.
- Uygulanan algoritma, çeşitlemeli Kuantum Eigensolvers (VQE) ve Kuantum Yaklaşık İyileştirme Algoritmaları (QAOA) gibi doğası gereği hibrit kuantum-klasik algoritmasıdır.
Mimari
Bu mimarinin PowerPoint dosyasını indirin.
Veri akışı
- Oturum açmış bir kullanıcı, klasik bir istemci uygulaması aracılığıyla kuantum işi yürütmeyi tetikler.
- İstemci uygulaması giriş verilerini Azure Depolama'a yerleştirir.
- İstemci uygulaması, yürütme hedefini veya hedeflerini belirterek işi bir Azure Quantum çalışma alanına gönderir. İstemci, Key Vault'ta depolanan veriler aracılığıyla çalışma alanını tanımlar ve yönetilen kimlik aracılığıyla çalışma alanında kimlik doğrulaması yapar.
- Kuantum sağlayıcısı işi hedef ortamda çalıştırır.
- İstemci uygulaması, iş durumunu yoklayarak iş yürütmeyi izler.
- Kuantum işi biter bitmez istemci uygulaması işlem sonucunu Depolama alır.
Bu iş akışı Zaman Uyumsuz İstek-Yanıt desenini ve Azure Quantum iş yaşam döngüsü için tanımlanan adımları uygular.
Bileşenler
- Azure Quantum , çeşitli hedeflerde kuantum işlerini çalıştırmayla ilişkili varlıklar için Azure portalından erişilebilen bir çalışma alanı sağlar. İşler, seçtiğiniz sağlayıcıya bağlı olarak kuantum simülatörlerinde veya kuantum donanımında çalıştırılır.
- Microsoft Entra Id , kullanıcı kimlik doğrulamasını koordine eder ve Azure Quantum çalışma alanına erişimin korunmasına yardımcı olur.
- Key Vault , Anahtarların ve Azure Quantum çalışma alanı adı gibi diğer gizli dizilerin denetimini korur ve korur.
- Azure Depolama, kuantum sağlayıcısından gelen giriş verileri ve sonuçları için depolama sağlar.
Kullanılabilirlik
Kuantum işlem işlevinin kullanılabilirliği yüksek oranda kuantum bilgi işlem sağlayıcısının kullanılabilirliğine ve yükleme tabanına bağlıdır. İşlem hedeflerine bağlı olarak, klasik istemci uygulaması uzun gecikmelerle veya hedefin kullanılamama durumuyla karşılaşabilir.
Çevresindeki Azure hizmetleri için her zamanki kullanılabilirlik konuları geçerlidir:
- Key Vault yedeklilik seçeneklerini kullanın.
- Gerekirse, Depolama çoğaltma seçeneklerini kullanmayı göz önünde bulundurun.
Güvenlik
Gevşek bir şekilde bağlanmış alternatifin mimarisinden farklı olarak, burada sunulan mimari, Azure Quantum çalışma alanına yalnızca bir istemcinin eriştiği varsayımını temel alır. Bu senaryo aşağıdaki yapılandırmalara yol açar:
- İstemci bilindiğinden, uygulamayla ilişkili yönetilen kimlik aracılığıyla kimlik doğrulaması uygulayabilirsiniz.
- İsteklerin azaltmasını ve sonuçların istemcinin kendisinde önbelleğe alınmasını uygulayabilirsiniz.
Genel olarak, uygun olduğunda güvenlik için tipik tasarım desenlerini uygulamayı göz önünde bulundurun.
Gevşek bir şekilde bağlanmış yaklaşım
Olası kullanım örnekleri
Gevşek bir şekilde bağlanmış yaklaşım şu durumlarda tercih edilir:
- Kuantum uzmanlarından oluşan ve diğer ekiplere merkezi olarak kuantum işlevselliği sağlayan özel bir ekibiniz var ve kuantum bileşenleri tüm klasik istemci bileşenlerinden bağımsız olarak geliştiriliyor.
- Kuantum işi, birden çok klasik uygulama tarafından yeniden kullanılabilen genel bir çözümü (örneğin, iş zamanlama) temsil eder.
Mimari
Bu mimarinin PowerPoint dosyasını indirin.
Veri akışı
- Oturum açmış bir kullanıcı, klasik bir uygulama aracılığıyla kuantum işi yürütmeyi tetikler.
- Klasik uygulama, işi göndermek için özel iş API'sini çağırır.
- API ağ geçidi, iş giriş verilerini geçiren iş gönderimi Azure işlevini tetikler.
- işlevi, giriş verilerini Azure Depolama'a yerleştirir.
- İşlev, yürütme hedefini veya hedeflerini belirterek işi bir Azure Quantum çalışma alanına gönderir. İşlev, Azure Key Vault'ta depolanan veriler aracılığıyla çalışma alanını tanımlar ve yönetilen kimlik aracılığıyla çalışma alanında kimlik doğrulaması yapar.
- Kuantum sağlayıcısı işi hedef ortamda çalıştırır.
- İstemci uygulaması, API çağrıları aracılığıyla iş durumunu yoklayarak iş yürütmeyi izler.
- API ağ geçidi, kuantum sağlayıcısından iş durumunu yoklayarak iş yürütmeyi izler.
- İş tamamlandığında işlem sonuçları Azure Depolama'de depolanır. İstemci uygulaması, Azure işlevi aracılığıyla uygulanan bir API kullanarak sonuçları alır.
Bu iş akışı Zaman Uyumsuz İstek-Yanıt desenini ve Azure Quantum iş yaşam döngüsü için tanımlanan adımları uygular.
Bileşenler
- Azure Quantum , çeşitli hedeflerde kuantum işlerini çalıştırmayla ilişkili varlıklar için Azure portalından erişilebilen bir çalışma alanı sağlar. İşler, seçtiğiniz sağlayıcıya bağlı olarak kuantum simülatörlerinde veya kuantum donanımında çalıştırılır.
- Microsoft Entra Id , kullanıcı kimlik doğrulamasını koordine eder ve Azure Quantum çalışma alanına erişimin korunmasına yardımcı olur.
- API Management , kuantum iş yönetimi için API uç noktalarını merkezi olarak kullanıma sunan API ağ geçididir.
- Azure İşlevleri, istemci isteklerini uygun kuantum kaynaklarına iletmek için kullanılır.
- Azure Key Vault , Anahtarları ve Azure Quantum çalışma alanı adı gibi diğer gizli dizileri korur ve denetler.
- Azure Depolama, kuantum sağlayıcısından gelen giriş verileri ve sonuçları için depolama sağlar.
Kullanılabilirlik
Kuantum işlem işlevinin kullanılabilirliği, kuantum bilgi işlem sağlayıcısının kullanılabilirliğine ve yükleme tabanına büyük ölçüde bağlıdır. İşlem hedeflerine bağlı olarak, klasik istemci uygulaması uzun gecikmelerle veya hedefin kullanılamama durumuyla karşılaşabilir.
Çevresindeki Azure hizmetleri için her zamanki kullanılabilirlik konuları geçerlidir:
- Yüksek kullanılabilirlik için API Management'ı birden çok bölgeye veya bölgeye dağıtabilirsiniz.
- Coğrafi çoğaltma kullanıyorsanız, birden çok bölgede Azure İşlevleri sağlayabilirsiniz.
- Key Vault yedeklilik seçeneklerini kullanın.
- Gerekirse, Depolama çoğaltma seçeneklerini kullanmayı göz önünde bulundurun.
Performans ve Ölçeklenebilirlik
Uygulama performansı, temel alınan kuantum bilgi işlem hedeflerinin kullanılabilirliğine ve performansına bağlıdır. Klasik bileşenlerin performansı ve ölçeklenebilirliği hakkında bilgi için ölçeklenebilirlik için tipik tasarım desenlerini ve performans verimliliği denetim listesini gözden geçirin.
Güvenlik
Sıkı bir şekilde bağlanmış alternatifin mimarisinden farklı olarak, burada sunulan mimari, birden çok istemcinin API aracılığıyla Azure Quantum çalışma alanına erişmiş olduğu varsayımını temel alır. Bu senaryo aşağıdaki yapılandırmalara yol açar:
- İstemcilerin API'de kimlik doğrulaması yapması gerekir. Kimlik doğrulama ilkelerini kullanarak bu kimlik doğrulamayı uygulayabilirsiniz.
- İşlevlerle ilişkili yönetilen kimlikler aracılığıyla Azure işlevlerinin kimlik doğrulamasını uygulayabilirsiniz. Azure Quantum çalışma alanında kimlik doğrulaması yapmak için bu kimlikleri kullanabilirsiniz.
- API'ye birden çok istemci erişer. Kuantum arka ucunu korumak ve kuantum kaynaklarının kullanımını sınırlamak için API Management istek azaltmayı kullanarak istek azaltma uygulayabilirsiniz.
- İstek düzenine bağlı olarak, API Management önbelleğe alma ilkelerini kullanarak kuantum bilgi işlem sonuçlarının önbelleğe alınmasını uygulayabilirsiniz.
Genel olarak, uygun olduğunda güvenlik için tipik tasarım desenlerini uygulamayı göz önünde bulundurun.
Ortak özellikler
Aşağıdaki özellikler hem sıkı bir şekilde bağlanmış hem de gevşek bir şekilde bağlanmış uygulama modellerinde ortaktır
Alternatifler
Burada sunulan mimariler, işlem görevleri için kuantum bilgi işlem kaynakları gerektiren iş sorunlarına yöneliktir. Bazı işlem zorlukları için, yüksek performanslı bilgi işlem gerçekleştirmek veya yapay zeka işlevselliği sağlamak için oluşturulmuş mevcut hizmetler alternatif olabilir.
Dikkat edilmesi gereken noktalar
Azure kuantum hedeflerinden bazıları (özellikle kuantum donanımı), öngörülebilir gelecek için sınırlı bir kaynak olacaktır. Bu kaynaklara erişim bir kuyruğa alma mekanizması aracılığıyla uygulanır. Azure Quantum'a bir kuantum işi gönderdiğinizde, bu iş bir iş kuyruğuna eklenir. Hedef önceki kuyruk girişlerini işlemeyi tamamladıktan sonra iş yürütülür. Kullanılabilir hedefleri listeleyerek beklenen bekleme süresini elde edebilirsiniz. Tam yanıt süresini hesaplamak için, kullanılabilir bir kaynağı beklerken harcanan süreyi iş yürütme süresine eklemeniz gerekir.
Performans ve Ölçeklenebilirlik
Uygulama performansı, temel alınan kuantum bilgi işlem hedeflerinin kullanılabilirliğine ve performansına bağlıdır. Klasik bileşenlerin performansı ve ölçeklenebilirliği hakkında bilgi için ölçeklenebilirlik için tipik tasarım desenlerini ve performans verimliliği denetim listesini gözden geçirin.
Dayanıklılık
Azure Quantum gibi kuantum hedef ortamları genellikle sınırlı hata düzeltmesi sağladığından (Azure Quantum söz konusu olduğunda kuantum işlemcisi ile sınırlıdır), kuantum makinesi zaman aşımı gibi diğer hatalar yine oluşabilir, bu nedenle kullanıcıyı iş durumu hakkında bilgilendirmeniz için iş yürütmeyi izlemeniz önerilir. Geçici bir hata nedeniyle iş yürütmesi başarısız olduğunda yeniden deneme deseni uygulayın. Çağıran istemcinin gereksiz yere engellenmesini önlemek için işleri zaman uyumsuz çağrılar aracılığıyla ve sonucu yoklayarak gönderin.
Kuantum bilgi işlem kaynakları genellikle sınırlı olduğundan dayanıklılık beklentileri bu faktörü dikkate almalıdır. Bu nedenle, bu makalede sunulan öneriler ek dayanıklılık önlemleri sağlayabilir.
DevOps
Kuantum işlerini klasik CI/CD işlem hatlarına dahil etmek, tipik bir tasarımda küçük değişikliklerle Azure DevOps kullanılarak gerçekleştirilebilir. Aşağıdaki tasarım, sıkı bir şekilde bağlanmış ve gevşek bir şekilde bağlanmış mimarilere uygulanabilen bir DevOps işlem hattı iş akışını göstermektedir.
Mimari
Bu mimarinin PowerPoint dosyasını indirin.
Veri akışı
- Geliştirici, uygulama bileşenlerinin kaynak kodunu değiştirir.
- Değişiklikler kaynak kod deposuna kaydedilir.
- Kuantum kodundaki değişiklikler, kuantum derleme işlem hattını tetikler. Derleme işlem hattı kodu denetler, derler, gerekli kaynakları tahmin eder ve algoritmayı bir simülatörde çalıştırır.
- Derlenen kuantum algoritması test için bir kuantum ortamına gönderilir.
- Değişiklikler klasik bileşenler için derleme işlem hattını tetikler. İşlem hattı kodu denetler, derler ve birim ve tümleştirme testlerini çalıştırır.
- Başarılı derleme ve testler yayın işlem hattını tetikler. İşlem hattı önce depoda depolanan Azure Resource Manager şablonlarını (Kod Olarak Altyapı) dağıtarak Azure ortamını sağlar.
- Derlenmiş klasik uygulama yapıtları Azure'a dağıtılır. Kuantum işleri çalışma zamanı sırasında bir kuantum çalışma alanına gönderilir.
- Uygulama Analizler çalışma zamanı davranışını, sistem durumunu, performansını ve kullanım bilgilerini izler.
- Kapsam öğeleri, izleme sonuçlarına bağlı olarak gerektiğinde güncelleştirilir.
- Geliştirici, uygulama geri bildirimi ve iyileştirme için Application Analizler kullanır.
Bileşenler
Bu çözüm aşağıdaki DevOps araçlarını kullanır:
- Azure Repos sınırsız, bulutta barındırılan özel Git depoları sağlar. Burada, kuantum ve klasik kodu ve ortamı sağlamak için kullanılan Azure Resource Manager şablonlarını depolamak için kullanılır.
- Azure Pipelines sürekli olarak bulut oluşturmanızı, test etmenizi ve buluta dağıtmanızı sağlar. Burada, kod dağıtımından önce ortam sağlama dahil olmak üzere CI/CD uygulamak için kullanılır.
Alternatif olarak, CI/CD işlemlerini uygulamak için GitHub depolarını ve GitHub eylemlerini kullanabilirsiniz.
Çözüm aşağıdaki diğer bileşenleri kullanır:
- İstemci uygulaması kuantum işini düzenler. Sıkı bir şekilde bağlanmış veya gevşek bir şekilde bağlanmış bir yaklaşım kullanarak tümleştirme uygulayabilirsiniz.
- Azure Quantum , kuantum bilgi işlem uygulamalarını çalıştırmayla ilişkili varlıklar için bir çalışma alanı sağlar. İşler, seçtiğiniz sağlayıcıya bağlı olarak kuantum simülatörlerinde veya kuantum donanımında çalıştırılır.
- Microsoft Entra Id , kullanıcı kimlik doğrulamasını koordine eder ve Azure Quantum çalışma alanına erişimi korur.
- Azure Key Vault , anahtarların ve kuantum çalışma alanı adı gibi diğer gizli dizilerin denetimini korur ve korur.
- Azure Depolama, kuantum işinin giriş ve çıkış verilerini tutar.
- Uygulama Analizler uygulamayı izler, düşük performans ve hatalar gibi uygulama anomalilerini algılar ve Azure portalına telemetri gönderir.
Maliyet iyileştirme
Bu çözümün genel maliyeti, kuantum işini çalıştırmak için seçtiğiniz kuantum bilgi işlem hedefine bağlıdır. Klasik bileşenler için tahmini maliyetleri hesaplamak kolaydır. Azure fiyatlandırma hesaplayıcısını kullanabilirsiniz.
Azure Quantum hizmeti için, Kuantum bilgi işlem sağlayıcılarının bir Azure Market teklifi aracılığıyla kullanılabilmesini göz önünde bulundurun. Fiyatlandırma kaynağın türüne (simülatör veya donanım), SKU'ya ve kullanımınıza bağlıdır. Ayrıntılar için senaryonuz için gereken sağlayıcının başvuru sayfasına bakın. Bu başvuru sayfaları, Azure Quantum'daki Kuantum bilgi işlem sağlayıcılarında listelenir.
Katkıda Bulunanlar
Bu makale Microsoft tarafından yönetilir. Başlangıçta aşağıdaki katkıda bulunan tarafından yazılmıştır.
Asıl yazar:
- Holger Sirtl | Microsoft Teknoloji Merkezi'nde Kıdemli Teknik Mimar
Genel olmayan LinkedIn profillerini görmek için LinkedIn'de oturum açın.
Sonraki adımlar
- Tam yığın, açık bulut kuantum bilişim ekosistemi olan Microsoft Quantum'a genel bakış için bkz. Microsoft Quantum ve Quantum bilişim temelleri öğrenme yolunu tamamlayın.
- Azure Quantum hizmeti hakkında daha fazla bilgi için bkz . Azure Quantum.
- Azure Quantum iş yönetimi hakkında genel bilgi için bkz . Azure Quantum işleri ile çalışma.
- Algoritmaları kuantum donanımında çalıştırma hakkında bilgi için Azure Quantum kullanarak algoritmaları kuantum donanımında çalıştırma modülüne bakın.