[論文レビュー] Quality Attributes on Quantum Computing Platforms

Balwinder Sodhi|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 25被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、量子コンピューティングプラットフォーム（QCP）の主要なアーキテクチャ的特徴を特定し、それらがソフトウェア品質特性（QAs）に与える影響を分析している。その結果、保守性、テスト可能性、信頼性といった大多数のQAsが、ネイティブOSの欠如、制限されたポータビリティ、確率的プログラミングモデルといったQCPの制限要因によって悪化していることが明らかになった一方で、パフォーマンスとスケーラビリティは好影響を受ける。

ABSTRACT

As the practical Quantum Computing Platforms (QCPs) rapidly become a reality, it is desirable to harness their true potential in software applications. Thus it becomes important to determine the implications of QCPs for software architecture. In this paper we present the in-depth examination of state-of-the-art QCPs for identifying all such characteristics of a QCP that are relevant from software architecture perspective. Lack of a native quantum operating system, a hard dependency on quantum algorithms, the lower level of programming abstractions are few, out of many, examples of QCP characteristics which may affect architecture of quantum software applications. Key contributions of this paper include identifying: i) The general architecture of a QCP, ii) The programming model which is typically used when developing software for a QCP, iii) Architecturally significant characteristics of QCPs and iv) The impact of these characteristics on various Quality Attributes (QAs). We show that except performance and scalability, most of the other QAs (e.g. maintainability, testability, reliability etc.) are adversely affected by different characteristics of a QCP.

研究の動機と目的

• 現在の量子コンピューティングプラットフォーム（QCP）に関連するソフトウェア開発に影響を及ぼすアーキテクチャ的特徴を特定・分析すること。
• これらのQCP特徴が保守性、テスト可能性、信頼性、スケーラビリティといったソフトウェア品質特性（QAs）にどのように影響を与えるかを調査すること。
• ネイティブOSの欠如やアルゴリズムの限界といったQCPの制限が、量子ソフトウェアアーキテクチャおよび開発手法に与える影響を評価すること。
• QCPの制約を踏まえて、古典的ソフトウェア工学手法（例：テスト、SDLC）が量子ソフトウェアにどの程度適しているかを評価すること。
• ソフトウェアアーキテクトが適切なQCPを選定し、本質的なプラットフォーム制限を軽減する量子アプリケーションを設計する手がかりを提供すること。

提案手法

• 最新のQCPを詳細に分析し、ハードウェア（例：超伝導キュービット）およびソフトウェアスタック（例：IBM Q Experience、Rigetti、OpenQASM）を含む。
• 確立されたソフトウェアアーキテクチャ文献に基づく因果関係の推論を用いて、プラットフォーム特徴を品質特性の定義にマッピングした。
• QAsを実現するための設計戦略を評価し、QCP特徴がそれらの達成をどのように促進または阻害するかを特定した。
• ポータビリティの制限、量子OSの欠如、量子アルゴリズム依存性など、ソフトウェアアーキテクチャに影響を与える12の主要なQCP特徴を同定した。
• 利用可能なQCPでのプログラミング経験および公開された技術文書からの経験的観察を用いて、発見を検証した。
• 2段階の手法を適用した：(1) プラットフォーム-QA関係を分析するためのQA定義の分析、(2) それらを設計戦略にマッピングして影響を推論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の量子コンピューティングプラットフォーム（QCP）の、量子ソフトウェア開発に影響を及ぼす主要なアーキテクチャ的特徴は何か？
• RQ2 QCP特徴は、保守性、テスト可能性、信頼性といったソフトウェア品質特性（QAs）の実現にどのように影響を与えるか？
• RQ3 古典的ソフトウェア工学手法（例：テスト、SDLC）は、量子ソフトウェア開発においてどの程度適用可能であるか？
• RQ4 どの品質特性がQCP特徴によって好影響を受けており、どの特性が最も深刻に悪影響を受けるか？
• RQ5 ネイティブ量子OSの欠如や限定的な量子ネットワーキングといったプラットフォーム固有の制約は、量子アプリケーションのアーキテクチャ設計にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ネイティブ量子オペレーティングシステムの欠如は、量子アプリケーションのパフォーマンス、管理性、信頼性、スケーラビリティ、セキュリティに顕著な悪影響を及ぼす。
• RigettiのISAとIBMのOpenQASMといった異なる命令セットのため、QCP間でのポータビリティが制限されており、これにより可用性、相互運用性、保守性が悪化する。
• 量子プログラミングの本質的な確率的性質は、コードの複雑性を増加させ、テスト可能性、保守性、セキュリティに悪影響を及ける。
• ノーコピーやノーテレポーテーションの定理により、永続的なデータアクセスに古典的ストレージに依存する必要があるため、管理性、パフォーマンス、スケーラビリティが損なわれる。
• 量子ネットワーキングはまだ本格的な運用には至っておらず、分散型量子アプリケーションの信頼性、スケーラビリティ、パフォーマンスに制限をもたらす。
• qubitのコherー二ンスや並列処理といったQCP特徴によりパフォーマンスとスケーラビリティは好影響を受ける一方で、他の大多数のQAsはプラットフォーム制限によって悪化する。