[논문 리뷰] A systematic mapping on quantum software development in the context of software engineering

Paulo Eduardo Zanni, Valter Vieira de Camargo|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 02.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 23인용 수 4

한 줄 요약

이 체계적 맵핑 연구는 소프트웨어 공학 관점에서 양자 소프트웨어 개발을 조사하며, 24篇의 핵심 논문을 분석하여 프로그래밍 인fra구조, 고전적 소프트웨어와 양자 소프트웨어 간의 개발 생애주기 차이, 주요 응용 분야를 규명한다. 연구 결과, 양자 소프트웨어 개발은 여전히 초기 단계에 있으며, Q#, Quipper, Qiskit과 같은 도구들이 인프라 분야를 선도하고 있으나, 형식적인 소프트웨어 공학 관행은 여전히 양자 환경에서 개발이 미흡한 것으로 드러났다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 소프트웨어 개발에 사용되는 주요 프로그래밍 인프라를 규명하고 분류하기.
• 고전적 소프트웨어와 양자 소프트웨어의 소프트웨어 개발 생애주기(SDLC) 단계를 비교하여 핵심 차이점을 도출하기.
• 현재 연구 기반으로 볼 때, 양자 소프트웨어가 가장 잘 맞는 응용 분야를 특정하기.
• 양자 컴퓨팅 맥락에서 소프트웨어 공학 관행의 성숙도와 현황을 평가하기.

제안 방법

• 관련 문헌을 식별하기 위해 디지털 라이브러리(ACM, IEEE Xplore, Scopus, arXiv)를 활용한 체계적 맵핑 연구를 수행하였다.
• 사전 정의된 포함 및 배제 기준을 적용하여 다양한 출처에서 24편의 고품질 연구를 선정하였다.
• 각 선정 논문으로부터 프로그래밍 언어, 개발 방법론, 응용 분야에 대한 데이터를 추출하였다.
• 주제 분석을 통해 연구 질문에 대한 통합적 해답을 도출하였다.
• 일致성과 분석 편향을 줄이기 위해 구조화된 데이터 추출 양식을 사용하였다.
• 비교 분석을 통해 양자 컴퓨팅에서 소프트웨어 공학 관행의 성숙도와 커버리지 수준을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 소프트웨어 개발을 위한 주요 프로그래밍 인프라는 무엇인가?
• RQ2 개발 단계 측면에서 고전적 소프트웨어와 양자 소프트웨어 간의 핵심 차이는 무엇인가?
• RQ3 양자 소프트웨어는 어떤 응용 분야와 가장 잘 맞는가?

주요 결과

• Q#와 Quipper는 가장 두드러진 고수준 양자 프로그래밍 언어에 속하며, Q#는 특히 확장성과 고전 시스템과의 통합을 위해 설계되었다.
• 양자 소프트웨어 개발 생애주기는 고전적 SDLC와 상당히 다릅니다. 특히 큐비트의 코herence와 오류율과 같은 양자 특수 제약로 인해 요구사항 및 설계 단계에서 큰 차이가 발생합니다.
• 양자 소프트웨어는 양자 기계학습, 암호학, 양자 화학 시뮬레이션 분야에서 가장 활발히 연구되고 적용되고 있습니다.
• 형식적 검증 및 테스팅 기법은 등장하고 있으나 여전히 미비한 편이며, 단지 일부 연구에서 어述션 또는 모델 기반 검증을 제안하고 있을 뿐이다.
• TOSCA4QC 및 워크플로우 통합 프레임워크를 통해 워크플로우 및 오케스트레이션 모델에 양자 컴퓨팅을 통합하는 데 관심이 증가하고 있다.
• 진전이 있음에도 불구하고, 양자 소프트웨어 공학은 표준화된 방법론이 부족하며, 대부분의 연구가 전체 스택 엔지니어링 관행보다는 저수준 프로그래밍과 도구 개발에 집중하고 있다.