論文の概要: Pilot-Quantum: A Quantum-HPC Middleware for Resource, Workload and Task Management

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.18519v2
• Date: Fri, 27 Dec 2024 09:24:51 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-12-30 17:24:37.643235
• Title: Pilot-Quantum: A Quantum-HPC Middleware for Resource, Workload and Task Management
• Title（参考訳）: Pilot-Quantum: リソース、ワークロード、タスク管理のための量子HPCミドルウェア
• Authors: Pradeep Mantha, Florian J. Kiwit, Nishant Saurabh, Shantenu Jha, Andre Luckow,
• Abstract要約: Pilot-Quantumは、ハイブリッド量子古典環境におけるリソースとワークロードの統一されたアプリケーションレベルの管理を提供するように設計されている。 リソース、ワークロード、タスクを管理するために、もともとHPC用に開発されたPilot Abstraction概念モデルを実装している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.381966718755792
• License:
• Abstract: As quantum hardware continues to scale, managing the heterogeneity of resources and applications -- spanning diverse quantum and classical hardware and software frameworks -- becomes increasingly critical. Pilot-Quantum addresses these challenges as a middleware designed to provide unified application-level management of resources and workloads across hybrid quantum-classical environments. It is built on a rigorous analysis of existing quantum middleware systems and application execution patterns. It implements the Pilot Abstraction conceptual model, originally developed for HPC, to manage resources, workloads, and tasks. It is designed for quantum applications that rely on task parallelism, including: (i) Hybrid algorithms, such as variational approaches, and (ii) Circuit cutting systems, used to partition and execute large quantum circuits. Pilot-Quantum facilitates seamless integration of quantum processing units (QPUs), classical CPUs, and GPUs, while supporting high-level programming frameworks like Qiskit and Pennylane. This enables users to design and execute hybrid workflows across diverse computing resources efficiently. The capabilities of Pilot-Quantum are demonstrated through mini-applications -- simplified yet representative kernels focusing on critical performance bottlenecks. We present several mini-apps, including circuit execution across hardware and simulator platforms (e.g., IBM's Eagle QPU), distributed state vector simulation, circuit cutting, and quantum machine learning workflows, demonstrating significant scale (e.g., a 41-qubit simulation on 256 GPUs) and speedups (e.g., 15x for QML, 3.5x for circuit cutting).
• Abstract（参考訳）: 量子ハードウェアがスケールし続ければ、さまざまな量子および古典的なハードウェアおよびソフトウェアフレームワークにまたがるリソースとアプリケーションの異質性の管理がますます重要になる。 Pilot-Quantumは、これらの課題に、ハイブリッド量子古典環境をまたいだリソースとワークロードのアプリケーションレベルの統一管理を提供するように設計されたミドルウェアとして対処する。 既存の量子ミドルウェアシステムとアプリケーション実行パターンの厳密な分析に基づいて構築されている。 リソース、ワークロード、タスクを管理するために、もともとHPC用に開発されたPilot Abstraction概念モデルを実装している。 タスク並列性に依存する量子アプリケーション用に設計されている。 一 変分アプローチ等のハイブリッドアルゴリズム (II)大規模な量子回路の分割・実行に用いられる回路切断システム。 Pilot-Quantumは、QiskitやPennylaneといったハイレベルなプログラミングフレームワークをサポートしながら、量子処理ユニット(QPU)、古典的なCPU、GPUのシームレスな統合を容易にする。 これによってユーザは、さまざまなコンピューティングリソースをまたいだハイブリッドワークフローを効率的に設計し、実行することができる。 Pilot-Quantumの能力は、ミニアプリケーションを通じて実証される。 ハードウェアおよびシミュレータプラットフォーム間の回路実行(IBMのEagle QPUなど)、分散状態ベクトルシミュレーション、回路切断、量子機械学習ワークフロー、大きなスケール(256GPU上で41量子ビットシミュレーションなど)、スピードアップ(QMLでは15倍、回路切断では3.5倍)を示すミニアプリケーションをいくつか紹介する。

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