By exploiting quantum mechanical behavior, quantum computers have the potential to carry out classically hard computations, such as the prime factorization of integers, with disruptive, exponentially better efficiency, yet they struggle with classically simple task like integer addition. Hybrid applications, combining both quantum and classical computations, attempt to take advantage of the strength of both approaches while avoiding their weaknesses. In such applications, the design of the interface between quantum and classical computers deserves attention as a potential performance bottleneck.

In this thesis, the design of a modular software stack for hybrid quantum/classical applications that is agnostic to the used quantum technology platform is developed both for high-level application-oriented as well as high-performance low-level use-cases. A hardware description language for quantum circuits derived from the industry standard VHDL language is proposed, and its usage in tightly-coupled hybrid applications, where quantum and classical computations overlap in time, is discussed. To enable low-latency coupling, the proposed hybrid architecture connects quantum computations to hardware implementations of timing critical classical computations and utilizes established hardware/software co-design patterns to interface higher-level classical computations.

Experimental evidence of noise effects on state-of-the-art quantum hardware is presented for the case of solving partial differential equations. This supports the conclusion that frequent interaction between short and shallow quantum and classical computations is necessary even for loosely-coupled hybrid applications under these circumstances, strengthening the case for a low-latency, high-bandwidth quantum-classical interface as proposed in this thesis.

Genom att utnyttja kvantmekaniska effekter har kvantdatorer potentialen att lösa klassiskt svåra beräkningsproblem, som exempelvis primtalsfaktorisering av heltal, med exponentiellt bättre effektivitet, medan de har svårt att lösa klassiskt enkla uppgifter såsom summering av heltal. Hybrida applikationer, som kombinerar båda kvant- och klassiska beräkningar, försöker utnyttja styrkorna av båda tillvägagångssätten och undviker deras svagheter. Sådana applikationer behöver ta hänsyn till utformningen av gränssnittet mellan kvant- och klassiska datorer för att undvika flaskhalsar som begränsar prestandan.

I denna avhandling utvecklas en modulär mjukvarustack för hybrida kvant/klassiska applikationer som är agnostisk till den underliggande kvantteknologiska plattformen. Användningen i både högnivå, applikationsbaserade såväl som i lågnivå, högprestanda scenarierna diskuteras. Ett hårdvarubeskrivningsspråk för kretsbaserade kvantberäkningar baserat på industristandardspråket VHDL med fokus på tätt kopplade hybrida applikationer, där kvant- och klassiska beräkningar överlappar i tid, presenteras. För att minimera latensen vid informationsöverföringen mellan kvant- och klassiska beräkningar föreslås att tidskritiska klassiska delar realiseras i programmerbar hårdvara. Existerande lösningar från samordnad hård- och mjukvarudesign kan användas för att sammankoppla de klassiska lågnivåberäkningarna med högnivåmjukvaran.

En experimentell undersökning av effekten av brus i kontemporära kvantdatorer på beräkningsresultat för lösningen av partiella differentialekvationer presenteras. Den understryker vikten av sammankopplingen av talrika korta kvantberäkningar med hjälp av klassiska metoder även för löst kopplade användningar. Detta resultat bekräftar behovet av kvant/klassiska gränssnitt med låg latens och hög bandbredd.