[論文レビュー] Software Architecture for Quantum Computing Systems -- A Systematic Review

Arif Ali Khan, Aakash Ahmad+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2022

Cloud Computing and Resource Management被引用数 6

ひとこと要約

この系統的文献レビューは、量子ソフトウェアアーキテクチャ（QSA）が、特化したプロセス、モデリング表記法、設計パターン、ツールチェーンを必要とする出現中の分野であることを特定している。本研究では、量子ビットとゲートをアーキテクチャ的コンポONENTとコネクタとしてモデル化できることを示しており、これによりアーキテクチャ中心の開発が量子ソフトウェアの品質と保守性を向上させうる。

ABSTRACT

Quantum computing systems rely on the principles of quantum mechanics to perform a multitude of computationally challenging tasks more efficiently than their classical counterparts. The architecture of software-intensive systems can empower architects who can leverage architecture-centric processes, practices, description languages, etc., to model, develop, and evolve quantum computing software (quantum software for short) at higher abstraction levels. We conducted a systematic literature review (SLR) to investigate (i) architectural process, (ii) modeling notations, (iii) architecture design patterns, (iv) tool support, and (iv) challenging factors for quantum software architecture. Results of the SLR indicate that quantum software represents a new genre of software-intensive systems; however, existing processes and notations can be tailored to derive the architecting activities and develop modeling languages for quantum software. Quantum bits (Qubits) mapped to Quantum gates (Qugates) can be represented as architectural components and connectors that implement quantum software. Tool-chains can incorporate reusable knowledge and human roles (e.g., quantum domain engineers, quantum code developers) to automate and customize the architectural process. Results of this SLR can facilitate researchers and practitioners to develop new hypotheses to be tested, derive reference architectures, and leverage architecture-centric principles and practices to engineer emerging and next generations of quantum software.

研究の動機と目的

• 量子ソフトウェアアーキテクチャにおけるアーキテクチャプロセス、モデリング表記法、設計パターン、ツール支援、課題を調査すること。
• 既存のソフトウェアアーキテクチャ実践が量子ソフトウェア開発に適合可能かどうかを評価すること。
• 量子ソフトウェア工学およびアーキテクチャ分野における現在の研究におけるギャップと機会を同定すること。
• 研究者および実務家が参照アーキテクチャを構築し、仮説に基づく研究を推進するのを支援すること。
• 品質および保守性の向上を図るため、アーキテクチャ中心のアプローチを促進すること。

提案手法

• キーンサムとチャーターズ（2007）のガイドラインに従って、関連研究を同定するための系統的文献レビュー（SLR）を実施した。
• 複数の学術データベースおよび引用ネットワークから関連研究を同定・フィルタリングするための二段階のスノーボールプロセスを適用した。
• 研究選定およびデータ抽出におけるレビュアー間の一貫性を確保するため、コーエンのカッパ検定を用いた。
• 5つの主要テーマ（アーキテクチャプロセス、モデリング表記法、設計パターン、ツール支援、課題）に沿って同定された研究をマッピングした。
• 現在の実践、制限事項、機会に関する構造化された分析に、研究結果を統合した。
• 既存のツール、言語、フレームワークの成熟度およびアーキテクチャ中心の量子ソフトウェア開発における適用可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ソフトウェア開発に現在使用されたり、提案されたりしているアーキテクチャプロセスは何か？
• RQ2 量子ソフトウェアアーキテクチャを表現するために使用されるモデリング表記法および記述言語は何か？
• RQ3 量子ソフトウェアシステムに存在するか、提案されている設計パターンは何か？
• RQ4 量子ソフトウェアアーキテクチャのモデリング、開発、進化に利用可能なツール支援は何か？
• RQ5 量子ソフトウェアアーキテクチャの設計および工学的実装における主な課題は何か？

主な発見

• 量子ソフトウェアは、専用のアーキテクチャ的アプローチを必要とする、ソフトウェア集積型システムの新しいジャンルを形成している。
• 量子ビット（qubits）と量子ゲート（qugates）は、それぞれアーキテクチャ的コンポONENTとコネクタとして効果的にモデル化できる。
• 既存のソフトウェアアーキテクチャ実践および表記法は、量子ソフトウェアの高レベルなアーキテクチャ設計を支援するために適合可能である。
• 再利用可能な知識と人間の役割（例：量子ドメインエンジニア、量子コード開発者）を統合したツールチェーンは、アーキテクチャプロセスの自動化およびカスタマイズを可能にする。
• 現在の量子プログラミング言語にグローバルなアーキテクチャビューが欠如しているため、システムの品質および保守性が損なわれている。
• 量子ソフトウェアアーキテクチャに関する体系的かつ証拠に基づく研究のギャップが顕著であり、今後の実証的およびデータ駆動型研究の必要性が示唆される。