[論文レビュー] A systematic mapping on quantum software development in the context of software engineering

Paulo Eduardo Zanni, Valter Vieira de Camargo|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本系統的マッピング研究では、ソフトウェア工学の観点から量子ソフトウェア開発を調査し、24件の主要論文を分析して、プログラミングインfrastrucure、古典的ソフトウェアと量子ソフトウェアの開発ライフサイクルの違い、および支配的なアプリケーション分野を特定した。その結果、量子ソフトウェア開発は依然として初期段階にあり、Q#、Quipper、Qiskitといった新興のツールがインfrastrucureをリードしている一方で、形式的なソフトウェア工学的手法は量子文脈においてはまだ未発達であることが明らかになった。

ABSTRACT

Quantum Computing is a new paradigm that enables several advances which are impossible using classical technology. With the rise of quantum computers, the software is also invited to change so that it can better fit this new computation way. However, although a lot of research is being conducted in the quantum computing field, it is still scarce studies about the differences of the software and software engineering in this new context. Therefore, this article presents a systematic mapping study to present a wide review on the particularities and characteristics of software that are developed for quantum computers. A total of 24 papers were selected using digital libraries with the objective of answering three research questions elaborated in the conduct of this research.

研究の動機と目的

• 量子ソフトウェア開発に使用される主なプログラミングインfrastrucureを特定・分類すること。
• 古典的ソフトウェアと量子ソフトウェアのソフトウェア開発ライフサイクル（SDLC）フェーズを比較し、主な違いを明らかにすること。
• 現在の研究に基づいて、量子ソフトウェアが最も関連性が高いアプリケーション分野を特定すること。
• 量子コンピューティングの文脈におけるソフトウェア工学的手法の成熟度と状態を評価すること。

提案手法

• 関連文献を特定するために、デジタルライブラリ（ACM、IEEE Xplore、Scopus、arXiv）を用いた系統的マッピング研究を実施した。
• 事前に定義された含む・除外基準を適用し、多様な出典から24件の高品質な研究を選定した。
• 各選定論文から、プログラミング言語、開発手法、アプリケーション分野に関するデータを抽出した。
• テーマ的分析を通じて、研究課題に答えるための統合的知見を導出した。
• 一貫性を確保しバイアスを低減するため、構造化されたデータ抽出フォームを用いた。
• 比較分析を通じて、量子コンピューティングにおけるソフトウェア工学的手法の成熟度とカバー範囲を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ソフトウェアを開発するための主なプログラミングインfrastrucureは何か？
• RQ2 開発フェーズの観点から、従来のソフトウェアと量子ソフトウェアの開発には、どのような主な違いがあるか？
• RQ3 量子ソフトウェアは、どのアプリケーション分野と最も一致しているか？

主な発見

• Q#とQuipperは、特にスケーラビリティと古典的システムとの統合を目的として設計された、最も顕著なハイレベルな量子プログラミング言語である。
• 量子ソフトウェア開発ライフサイクルは、量子固有の制約（キュービットのコherenecと誤り率）のため、古典的SDLCとは顕著に異なる、特に要件定義と設計フェーズで顕著である。
• 量子ソフトウェアは、量子機械学習、暗号技術、量子化学シミュレーションの分野で、最も活発に研究され、応用されている。
• 形式的検証およびテスト手法は登場しているが、まだ未発達であり、アサーションやモデルベースの検証を提案する研究はごく少数にとどまっている。
• TOSCA4QC やワークフロー統合フレームワークの事例から、ワークフローおよびオーケストレーションモデルへの量子コンピューティングの統合への関心が高まっている。
• 進展は見られるものの、量子ソフトウェア工学には標準化された手法がなく、多くの研究が、フルスタックのエンジニアリング手法ではなく、低レベルのプログラミングとツール開発に集中している。