[논문 리뷰] Quantum Software Development Lifecycle

Benjamin Weder, Johanna Barzen외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 17.

Cloud Computing and Resource Management인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 양자 응용 프로그램에서 양자, 고전적, 워크플로우 구성 요소의 개발을 통합하는 통합된 양자 소프트웨어 개발 생애주기(QS-SDLC)를 제안한다. 주요 소프트웨어 아티팩트와 그 상호 연결성을 분석함으로써, 저자들은 종단 간 양자 응용 프로그램의 설계, 구현, 오케스트레이션을 안내하는 통합된 생애주기 프레임워크를 수립한다. 이는 기존의 양자 코드 또는 고전적 코드만을 대상으로 하는 분리된 생애주기에서 발생하는 격차를 해결한다.

ABSTRACT

With recent advances in the development of more powerful quantum computers, the research area of quantum software engineering is emerging, having the goal to provide concepts, principles, and guidelines to develop high-quality quantum applications. In classical software engineering, lifecycles are used to document the process of designing, implementing, maintaining, analyzing, and adapting software. Such lifecycles provide a common understanding of how to develop and operate an application, which is especially important due to the interdisciplinary nature of quantum computing. Since today`s quantum applications are, in most cases, hybrid, consisting of quantum and classical programs, the lifecycle for quantum applications must involve the development of both kinds of programs. However, the existing lifecycles only target the development of quantum or classical programs in isolation. Additionally, the various programs must be orchestrated, e.g., using workflows. Thus, the development of quantum applications also incorporates the workflow lifecycle. In this chapter, we analyze the software artifacts usually comprising a quantum application and present their corresponding lifecycles. Furthermore, we identify the points of connection between the various lifecycles and integrate them into the overall quantum software development lifecycle. Therefore, the integrated lifecycle serves as a basis for the development and execution of hybrid quantum applications.

연구 동기 및 목표

• 고전적 프로그램과 양자 프로그램을 통합하는 하이브리드 양자 응용 프로그램을 위한 통합된 개발 생애주기 부족 문제를 해결한다.
• 기존 생애주기 모델이 양자 및 고전적 개발을 별도로 다루어 중요한 통합 포인트를 놓친다는 점을 인지한다.
• 하이브리드 응용 프로그램에서 양자 및 고전적 구성 요소의 오케스트레이션을 관리하기 위해 워크플로 생애주기를 통합한다.
• 양자 소프트웨어 공학 분야의 다학제적 접근을 표준화하기 위한 공통 프레임워크를 제공한다.
• 생애주기 표준화를 통해 확장 가능하고 유지보수 용이하며 고성능의 양자 응용 프로그램 개발을 위한 기반을 마련한다.

제안 방법

• 양자 응용 프로그램의 핵심 소프트웨어 아티팩트, 즉 양자 회로, 고전적 제어 코드, 오케스트레이션 워크플로우를 분석한다.
• 기존 소프트웨어 공학 원칙에 기반하여 양자 프로그램, 고전적 프로그램, 워크플로우에 대해 별도의 생애주기를 정의한다.
• 세 생애주기 간의 통합 포인트, 특히 인터페이스와 데이터 흐름에서의 통합 포인트를 식별하고 체계화한다.
• 모든 구성 요소의 설계, 구현, 테스트, 유지보수 단계를 조율하는 통합된 QS-SDLC 모델을 제안한다.
• 생애주기 단계를 계층적 아키텍처로 표현하여, 양자 및 고전적 개발 팀 간의 협업을 강조한다.
• 고전적 소프트웨어 공학 원칙을 적용하여, 양자 컴퓨팅의 고유한 제약 조건에 맞게 생애주기 관행을 적응시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 양자 응용 프로그램의 개발은 양자, 고전적, 워크플로 구성 요소 간에 어떻게 체계적으로 구조화될 수 있는가?
• RQ2 양자, 고전적, 워크플로 생애주기 간의 주요 통합 포인트는 무엇인가?
• RQ3 기존의 소프트웨어 공학 생애주기 모델은 양자 프로그램의 고유한 특성을 수용하기 위해 어떻게 적응시킬 수 있는가?
• RQ4 워크플로 오케스트레이션은 양자 응용 프로그램 생애주기에서 어떤 역할을 하는가? 그리고 어떻게 통합되어야 하는가?
• RQ5 통합된 생애주기 모델은 양자 소프트웨어의 품질, 유지보수성, 확장성 향상에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 제안된 QS-SDLC는 하이브리드 양자 응용 프로그램 개발을 위한 단일이고 통합된 프레임워크로, 양자, 고전적, 워크플로 생애주기를 통합한다.
• 이 프레임워크는 양자 회로, 고전적 제어 논리, 오케스트레이션 워크플로우 간의 의존성과 상호작용을 체계적으로 관리할 수 있도록 한다.
• 생애주기 모델은 설계에서 배포에 이르기까지 종단 간 개발을 지원하며, 테스트 및 유지보수를 위한 명확한 단계를 제공한다.
• 워크플로 생애주기의 통합은 양자 및 고전적 구성 요소의 적절한 오케스트레이션을 보장하며, 이는 하이브리드 응용 프로그램 실행에 있어 핵심적이다.
• 이 모델은 다학제적 협업을 위한 공통 기반을 제공하여, 양자 소프트웨어 공학 분야에서 명확성과 일관성을 향상시킨다.
• 이 접근법은 기존 실무에서 발생하는 주요 격차를 해결하며, 분리된 생애주기를 하나의 표준화된 개발 프로세스로 통합함으로써 양자 응용 프로그램 개발을 개선한다.