量子计算在变革某些算法和应用方面显示出巨大潜力，并有望与传统的高性能计算（HPC）环境合作。此外，噪声中等规模量子（NISQ）设备已成为强大的计算平台，但它们面临有限的量子比特相干时间和高错误率等挑战。由于量子算法的复杂性，错误更正显得尤为关键，进一步增加了复杂性。在开发、测试和调试量子算法时，量子模拟器在提供一个受控的、无错误的环境中发挥了重要作用。在物理资源有限时，它还增强了可用性。
现有的工作包括各种将量子计算集成到高性能计算（HPC）环境中的方法。这种集成技术利用了量子算法的力量，同时保持了传统计算的可靠性和多功能性。这些方法分为两大类：松散集成和紧密集成。松散集成使量子和经典系统之间的耦合更加灵活，而紧密集成则将量子处理单元（QPU）直接集成到HPC节点中，类似于将图形处理单元（GPU）集成到HPC计算节点。此种结合允许经典系统处理传统任务，而量子处理器解决它们最擅长的特定问题。然而，管理资源和优化性能对这些混合系统提出了挑战。
美国田纳西州橡树岭国家实验室的研究人员提出了一个量子框架（QFw），重点关注量子计算与HPC环境的松散集成。该方法将量子计算机视为更大HPC系统中的独立组件，并专注于本地集成。在这种情况下，量子机器通过高带宽互连和分布式文件系统与HPC中心连接，并与经典HPC系统连接。该框架为混合应用提供了统一的解决方案，最大限度地利用高性能计算进行量子模拟，并简化向实际量子硬件的过渡。它还在Frontier超级计算机上提供了一个灵活的基础设施，支持各种量子电路构建工具和模拟器。
所提议的QFw旨在使研究人员能够充分利用高性能计算资源进行量子计算，同时允许在模拟后端和实际量子硬件之间无缝切换。通过QFw，应用程序可以分别为经典和量子任务分配高性能计算资源，并使用他们喜欢的任何电路组合软件。该框架提供了一个后端，将本地量子电路结构转换为QASM 2.0，一种常见的量子任务格式。量子任务管理（QTM）层应用特定的工作流，如电路切割和结果聚合。量子平台管理（QPM）处理与平台的通信，通过特定的平台操作执行量子任务。
QFw使用不同的前端（如Qiskit和PennyLane）和后端（如TNQVM和NWQ-Sim）进行评估。SupermarQ基准用于生成一个20量子比特的GHZ电路，并测量性能。评估QFw的结果表明，其在同时运行多个模拟的效率很高，8次模拟完成只需66.97秒，而单次模拟需52.47秒。这突显出同时模拟独立电路时节省时间的潜力和智能资源管理的好处。此外，PennyLane应用程序成功集成，展示了QFw在结合不同前端和后端方面的灵活性。
最后，美国田纳西州橡树岭国家实验室的研究人员介绍了一种量子框架（QFw），使研究人员能够在Frontier超级计算机上毫无技术障碍地推进量子研究。它允许用户将任何前端电路构建软件与任何后端模拟包结合使用，使研究人员更容易专注于他们的任务。QFw使高性能计算系统上的模拟超越正常限制，并轻松过渡到物理量子硬件。其多功能性允许集成不同的量子平台，而无需更改基础设施或应用程序。而且，QFw的插件架构提供了一个通用API，便于新平台的轻松集成。
