[論文レビュー] Quantum Software Engineering: A New Genre of Computing

Muhammad Azeem Akbar, Arif Ali Khan+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2022

Cloud Computing and Resource Management被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、スケーラブルで信頼性の高い量子アプリケーションの需要が高まるのを受けて、量子要件工学、設計、実装、テスト、保守を含む包括的な量子ソフトウェア工学（QSE）ライフサイクルフレームワークを導入する。次世代の量子ソフトウェアを開発するための新しい手法、ツール、およびリファレンスアーキテクチャの開発を促進するため、学術界と産業界の協働的イノベーションを提唱する。

ABSTRACT

Quantum computing (QC) is no longer only a scientific interest but is rapidly becoming an industrially available technology that can potentially tackle the limitations of classical computing. Over the last few years, major technology giants have invested in developing hardware and programming frameworks to develop quantum-specific applications. QC hardware technologies are gaining momentum, however, operationalizing the QC technologies trigger the need for software-intensive methodologies, techniques, processes, tools, roles, and responsibilities for developing industrial-centric quantum software applications. This paper presents the vision of the quantum software engineering (QSE) life cycle consisting of quantum requirements engineering, quantum software design, quantum software implementation, quantum software testing, and quantum software maintenance. This paper particularly calls for joint contributions of software engineering research and industrial community to present real-world solutions to support the entire quantum software development activities. The proposed vision facilitates the researchers and practitioners to propose new processes, reference architectures, novel tools, and practices to leverage quantum computers and develop emerging and next generations of quantum software.

研究の動機と目的

• 産業用量子コンピューティングアプリケーションにおける体系的なソフトウェア工学実践のギャップを埋める。
• 量子ハードウェアの急速な展開に応えるために、量子システムに特化したソフトウェア開発ライフサイクルを確立する。
• 理論的量子コンピューティングと実世界での展開のための実用的ソフトウェア工学の溝を埋める。
• ソフトウェア工学研究者と産業界の連携を促進し、堅牢で保守性の高い量子ソフトウェアを開発する。
• 新生した量子ソフトウェア工学分野の基盤プロセスとツールを確立する。

提案手法

• 要件工学、設計、実装、テスト、保守の5段階からなるQSEライフサイクルを提案する。
• 古典的ソフトウェア工学の原則を、量子固有の制約と能力と統合する。
• 量子アルゴリズムのためのドメイン特化型モデリングおよび形式的仕様記述技法の必要性を強調する。
• 量子コード開発および検証を支援するドメイン特化型言語（DSL）およびツールチェーンの開発を要請する。
• 量子重ね合わせおよびもつれの性質に適応した自動テストおよび検証技術の重要性を強調する。
• 量子ソフトウェアのポータビリティ、正しさ、保守性を保証するためのリファレンスアーキテクチャおよび標準化された実務を推奨する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的ソフトウェア工学実践は、量子コンピューティングの独自の課題に対しどのように適合可能か？
• RQ2 産業用量子ソフトウェアアプリケーションを構築するために必要な主要な段階と活動は何か？
• RQ3 量子ソフトウェア開発のフルライフサイクルを支援するために必要な役割、責任、およびツールは何か？
• RQ4 学術界と産業界の連携は、量子ソフトウェア工学の成熟をどのように加速できるか？
• RQ5 スケーラビリティと保守性を保証するためのリファレンスアーキテクチャおよびフレームワークは何か？

主な発見

• 産業的採用を実現するためには、形式化された量子ソフトウェア工学ライフサイクルが不可欠である。
• 提案されたQSEフレームワークは、量子アプリケーション開発における複雑さを管理するための構造化されたアプローチを提供する。
• ソフトウェア工学研究者と産業界の共同作業は、実用的ツールおよび手法の開発にとって不可欠である。
• ソフトウェア工学実践を量子開発に統合することで、量子アプリケーションの信頼性、保守性、正しさが向上する。
• 量子システムに特化したドメイン特化型言語、自動テスト、検証ツールの開発が急務である。
• このフレームワークにより、実験的量子アルゴリズムから生産向けソフトウェアシステムへの移行が可能になる。