⚛️ quantum physics

Qurator: Scheduling Hybrid Quantum-Classical Workflows Across Heterogeneous Cloud Providers

Qurator is een architectonisch onafhankelijke scheduler die hybride quantum-klassieke workflows over heterogene cloudproviders optimaliseert door wachttijden en circuitnauwkeurigheid gezamenlijk te verbeteren via dynamische DAG-modellering en een unificatie van betrouwbaarheidsmetingen.

Oorspronkelijke auteurs: Sinan Pehlivanoglu, Ulrik de Muelenaere, Peter Kogge, Amr Sabry

Gepubliceerd 2026-04-08

📖 4 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Sinan Pehlivanoglu, Ulrik de Muelenaere, Peter Kogge, Amr Sabry

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Stel je voor dat je een heel speciale, kwantumberekening wilt uitvoeren. Het is alsof je een recept wilt bakken in een supermoderne, maar erg drukke keuken.

Het Probleem: De Drukte in de Keuken
In de wereld van kwantumcomputers (de "keuken") zijn de apparaten (de "ovens") heel duur en zeldzaam. Ze worden gedeeld door duizenden mensen. Als je een taartje wilt bakken dat slechts 3 seconden duurt, moet je soms uren, of zelfs een hele dag, in de rij staan voordat je aan de beurt bent.

De grote uitdaging is dit:

Je wilt niet te lang wachten (de wachttijd).
Maar als je wacht, of als je naar een minder goede oven gaat om sneller te zijn, kan je taartje verbranden of mislukken. In de kwantumwereld noemen we dit fideliteit (hoe goed het resultaat is).

Bestaande systemen kiezen vaak voor één van de twee: of je wacht lang voor de perfecte oven, of je kiest de snelste oven en hoopt dat het goed komt. Qurator is de nieuwe chef-kok die probeert het beste van beide werelden te vinden.

Wat is Qurator?

Qurator is een slimme "planner" die voor jou uitzoekt waar en wanneer je je kwantumrekening moet laten uitvoeren. Het werkt niet alleen met één type oven, maar kan kiezen tussen verschillende merken (zoals IBM, IonQ, Rigetti, etc.), elk met hun eigen regels en kwaliteiten.

Hier zijn de drie slimme trucs die Qurator gebruikt, vertaald naar alledaagse analogieën:

1. De "Slimme Vertaler" voor verschillende Ovens

Elke kwantumcomputerfabrikant gebruikt een andere taal en meet de kwaliteit van hun ovens op een andere manier. IBM zegt: "Mijn oven is 99% goed," terwijl IonQ zegt: "Mijn oven heeft 0,5% kans op fouten." Het is alsof één bakker in grammen werkt en de ander in ounces.

De oplossing: Qurator heeft een universele vertaler. Het zet alle verschillende metingen om naar één standaardmaatstaf (een "successcore"). Zo kan het eerlijk vergelijken welke oven op dit moment het beste resultaat zal geven, ongeacht het merk.

2. De "Schaar en Plak" (Circuit Cutting & Merging)

Soms is je taartje (je berekening) te groot voor één enkele oven.

Schaar (Circuit Cutting): Als een oven te klein is, snijdt Qurator je taart in kleinere stukjes. Je bakt deze stukjes apart in verschillende ovens en plakt ze later weer in de computer bij elkaar. Dit kost wat extra werk (rekenkracht), maar het voorkomt dat je taart in een te kleine oven mislukt.
Plakken (Merging): Als je twee kleine taartjes hebt die allebei in dezelfde oven kunnen, plakt Qurator ze samen in één baksel. Zo hoef je maar één keer in de rij te staan in plaats van twee keer.

3. De "Zwerm" voor Samenspel (Entanglement)

Soms moeten twee taartjes tegelijkertijd worden gebakken in twee verschillende ovens, omdat ze "met elkaar verbonden" zijn (kwantumverstrengeling). Als de ene taart klaar is en de andere nog niet, is de magie weg en is het resultaat waardeloos.

Het probleem: Als je wacht tot de eerste oven klaar is, is de verbinding al verbroken door de tijd.
De oplossing: Qurator berekent precies wanneer beide ovens klaar zijn om te starten, zodat ze op hetzelfde moment beginnen. Het is alsof je twee bakkers instrueert om precies op 12:00:00 de oven in te schakelen, zodat ze synchroon werken.

Hoe werkt het in de praktijk?

Qurator kijkt continu naar de drukte:

Als het rustig is: Het kiest de allerbeste oven, zelfs als je een beetje moet wachten. Het resultaat is dan perfect.
Als het druk is: Het ziet dat de beste oven urenlang vol staat. Dan kiest het een iets minder goede oven die wel snel vrij is, of het snijdt je taart in stukken om op kleinere ovens te bakken. Het maakt een slimme afweging: "Is het de moeite waard om 10% minder perfect te zijn, om wel 50% sneller klaar te zijn?"

De Resultaten

De onderzoekers hebben Qurator getest met data van de afgelopen vier maanden van echte kwantumcomputers.

Bij weinig drukte: Het werkt bijna net zo goed als de beste oven die er is (binnen 1% verschil).
Bij veel drukte: Het bespaart tot 75% wachttijd ten opzichte van systemen die alleen naar de snelste oven kijken, zonder dat het resultaat te veel verslechtert.

Conclusie

Vandaag de dag is het nog bijna onmogelijk om complexe kwantumberekeningen op verschillende computers tegelijk te laten draaien (zoals twee ovens die samenwerken), omdat de wachtrijen te lang zijn en de "verbinding" tussen de ovens te snel veroudert.

Maar Qurator is de eerste stap. Het is de slimme planner die ons voorbereidt op de toekomst, wanneer kwantumcomputers net zo gewoon zijn als smartphones. Het zorgt ervoor dat we niet vastzitten in de rij, maar slim gebruik maken van wat er nu al beschikbaar is.

Probleemstelling

De integratie van quantumcomputers in HPC-systemen (High Performance Computing) stuit op een fundamenteel probleem: de enorme kloof tussen de uitvoeringstijd van een quantumcircuit (vaak seconden) en de wachttijd in de wachtrij van cloudproviders (minuten tot dagen). Quantum-cloudproviders zoals IBM, IonQ en Rigetti werken volgens een "first-come, first-served"-principe.

Bestaande aanpakpen behandelen twee cruciale doelstellingen als gescheiden problemen:

Minimaliseren van wachttijd: Kies het minst drukke apparaat.
Maximaliseren van fideliteit: Kies het apparaat met de beste kalibratie (minst fouten).

Het kiezen van het minst drukke apparaat leidt vaak tot lage fideliteit (onbetrouwbare resultaten), terwijl het kiezen van het apparaat met de hoogste fideliteit leidt tot onacceptabel lange wachttijden. Bovendien zijn klassieke scheduling-technieken onbruikbaar voor quantumwerklasten vanwege unieke beperkingen:

No-Cloning Theorem: Quantumtoestanden kunnen niet worden gekopieerd, wat "task duplication" en "work stealing" onmogelijk maakt.
Niet-preemptiviteit: Eenmaal gestarte taken kunnen niet worden onderbroken.
Dynamische DAG's: Bij hybride algoritmen (zoals VQE en QAOA) hangen de volgende quantumtaken af van meetresultaten van eerdere taken, waardoor het volledige taakgraph niet statisch bekend is.
Heterogeniteit: Providers hebben verschillende gate-sets, kalibratiemetingen en topologieën, wat vergelijkingen bemoeilijkt.
Verstrengeling (Entanglement): Taken die verstrengelde qubits delen (EPR-paren) moeten bijna gelijktijdig starten voordat de verstrengeling door decoherentie verloren gaat.

Methodologie: Qurator Architectuur

Qurator is een architectuur-agnostische scheduler die hybride quantum-klassieke workflows modelleert als dynamische Directed Acyclic Graphs (DAGs) met expliciete quantumsemantiek. De kern van de oplossing bestaat uit vier pijlers:

1. Unified Fidelity Estimation (Gecombineerde Fideliteitsschatting)

Om de incompatibele kalibratiedata van zes verschillende providers (IBM, IonQ, IQM, Rigetti, AQT, QuEra) te reconciliëren, introduceert Qurator een unified logarithmic success score.

Het model converteert provider-specifieke metrics (zoals gate errors, readout errors, decoherentie-tijden $T_1$ en $T_2$ ) naar een canonieke set variabelen.
De geschatte succeskans ( $\hat{F}_{est}$ ) wordt berekend als de som van logaritmische bijdragen van operationele fouten en een decoherentie-boete, gebaseerd op de geschatte uitvoeringstijd.
Dit stelt de scheduler in staat om apparaten te vergelijken en te selecteren op basis van een voorspelde kans op succes, ongeacht de onderliggende hardware.

2. Quantum-Aware Scheduling Semantics

Qurator behandelt quantum-specifieke beperkingen als "first-class citizens" in het scheduling-proces:

Circuit Cutting: Als een circuit te groot is voor een enkel apparaat of te veel fouten introduceert, wordt het circuit opgesplitst in kleinere subcircuits. Deze worden onafhankelijk uitgevoerd en klassiek samengevoegd (post-processing). Dit is een scheduling-beslissing, geen programmeringsbeslissing.
Circuit Merging: Kleine, onafhankelijke taken kunnen worden samengevoegd tot één submit om synchronisatie-overhead te verminderen en wachttijden te verkorten.
Entanglement Barriers: Voor verstrengelde taken wordt een synchronisatiebarrière ( $\Omega_b$ ) berekend. De scheduler moet apparaten selecteren zodat de starttijden van de verstrengelde taken zo dicht bij elkaar liggen dat ze binnen het venster van decoherentie blijven.

3. Load-Adaptive Joint Optimization

Qurator optimaliseert dynamisch de afweging tussen wachttijd en fideliteit op basis van de huidige belasting:

Lage belasting: De scheduler prioriteert fideliteit en kiest apparaten met de hoogste geschatte succeskans.
Hoge belasting: De scheduler schakelt over naar het minimaliseren van wachttijd, maar binnen een door de gebruiker gespecificeerde fideliteitstarget (hard filter).
Voorspelling: Omdat providers geen gedetailleerde wachtrijdata per taak openbaren, gebruikt Qurator een Gauss-kernel op historische data om wachttijden te schatten, gewogen op tijdstip van de dag om dagelijkse fluctuaties te vangen.

4. Scheduling voor Verstrengelde Taken

Voor gedistribueerde quantumcomputing (waarbij taken op verschillende apparaten verstrengeld moeten worden) introduceert Qurator een plan voor synchronisatie. De scheduler minimaliseert de "start skew" (het tijdsverschil tussen het starten van verstrengelde taken) om te voorkomen dat de EPR-paren decohereren voordat beide taken kunnen starten.

Belangrijkste Resultaten

De evaluatie is uitgevoerd op een simulator gedreven door vier maanden aan real-world wachtrijdata van 11 verschillende quantumapparaten, met werklasten variërend van 5 tot 35.000 taken (gebaseerd op de Munich Quantum Toolkit benchmark suite).

Lage Belasting: Qurator blijft binnen 1% van de "hoogste fideliteit" baseline, terwijl het de wachttijd minimaliseert zonder onnodige kwaliteitsverlies.
Hoge Belasting (5.000 - 35.000 taken): Qurator bereikt een 30–75% reductie in wachttijd ten opzichte van de "hoogste fideliteit" baseline, met een fideliteitskost die strikt wordt begrensd door de door de gebruiker ingestelde target.
Vergelijking met "Least Busy": De "least busy" strategie (kies het minst drukke apparaat) levert een fideliteitsverlies op van 10-20 procentpunten. Qurator biedt een veel betere afweging.
Circuit Cutting: Voor grote circuits (hoge qubit-aantallen) maakt Qurator gebruik van circuit cutting. Hoewel dit het aantal taken en de wachttijd verhoogt, resulteert dit in een 60% winst in fideliteit ten opzichte van de "least busy" strategie, die voor deze circuits vaak tot 90% mislukkingen leidt.
Gedistribueerde Verstrengeling: De simulatie toont aan dat gedistribueerde quantumcomputing op de huidige publieke cloud (met wachttijden van minuten tot uren) niet haalbaar is voor verstrengelde taken, omdat de "survival proxy" (kans op succesvolle verstrengeling) extreem laag is ( $10^{-15}$ tot $10^{-239}$ ). Alleen bij zeer lage wachtrijen (<10 taken) wordt een haalbare survival rate bereikt. Circuit merging (samenvoegen op één apparaat) is de enige effectieve strategie onder huidige omstandigheden.

Bijdragen en Significantie

De belangrijkste bijdragen van dit paper zijn:

Eerste Unified Scheduler: Qurator is de eerste scheduler die wachttijd en fideliteit gezamenlijk optimaliseert over heterogene providers, rekening houdend met quantum-specifieke beperkingen.
Unificatie van Metrics: Het paper biedt een methode om de incompatibele kalibratiedata van zes grote providers om te zetten in één vergelijkbare metric.
Nieuwe Semantiek: Het formaliseert circuit cutting en merging als scheduling-beslissingen in plaats van programmeringsproblemen.
Eerste Benchmark voor Verstrengelde Taken: Het introduceert de eerste benchmark en metrics (start skew, finish skew, survival proxy) voor het evalueren van scheduling voor verstrengelde taken in een multi-provider omgeving.
Realistische Evaluatie: De evaluatie is gebaseerd op vier maanden aan real-world data, wat inzicht geeft in de praktische haalbaarheid van gedistribueerde quantumcomputing (die momenteel nog niet mogelijk is door wachttijden).

Conclusie:
Qurator demonstreert dat door quantum-beperkingen als centrale scheduling-factoren te behandelen, het mogelijk is om de enorme overhead van wachtrijen te reduceren zonder de kwaliteit van de berekening op te offeren. Het paper schetst ook een realistisch beeld van de huidige staat van de technologie: terwijl hybride workflows goed beheerd kunnen worden, is gedistribueerde quantumcomputing over het publieke cloud-netwerk nog niet levensvatbaar vanwege de decoherentie-tijden versus wachttijden. De ontwikkelde modellen en benchmarks zijn echter essentieel om de voortgang van quantumnetwerken in de toekomst te volgen.