[논문 리뷰] Quantum Software Engineering: A New Genre of Computing

Muhammad Azeem Akbar, Arif Ali Khan외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 25.

Cloud Computing and Resource Management인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 스케일링 가능하고 신뢰할 수 있는 양자 소프트웨어 응용 프로그램을 위한 증가하는 산업적 수요에 대응하기 위해 양자 요구사항 공학, 설계, 구현, 테스팅, 유지보수를 포함하는 종합적인 양자 소프트웨어 공학(QSE) 생애 주기 프레임워크를 제안한다. 이는 차세대 양자 소프트웨어를 위한 신규 방법론, 도구 및 레퍼런스 아키텍처를 개발하기 위해 학계와 산업 간 협업 혁신을 지지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 산업용 양자 계산 응용 프로그램을 위한 체계적인 소프트웨어 공학 실천 방식의 격차를 해소한다.
• 양자 하드웨어의 가속화된 배포에 대응하기 위해 양자 시스템에 맞춤형 소프트웨어 개발 생애 주기를 수립한다.
• 이론적 양자 계산과 실용적 소프트웨어 공학 간 격차를 메운다. 실세계 구현을 위해.
• 소프트웨어 공학 연구자들과 산업 간 협업을 촉진하여 견고하고 유지보수 가능한 양자 소프트웨어를 개발한다.
• 신규로 등장하는 양자 소프트웨어 공학 분야의 기초 과정과 도구를 수립한다.

제안 방법

• 다섯 단계 QSE 생애 주기(요구사항 공학, 설계, 구현, 테스팅, 유지보수)를 제안한다.
• 고전적 소프트웨어 공학 원칙을 양자 특화 제약 조건과 능력과 통합한다.
• 양자 알고리즘을 위한 도메인 특화 모델링 및 형식적 명세 기법의 필요성을 강조한다.
• 양자 코드 개발 및 검증을 지원하기 위해 도메인 특화 언어(DSL)와 툴체인의 개발을 촉구한다.
• 양자 중첩 및 얽힘 성질에 적응된 자동화된 테스팅 및 검증 기법의 중요성을 강조한다.
• 양자 소프트웨어의 이식성, 정확성, 유지보수성을 보장하기 위해 레퍼런스 아키텍처와 표준화된 관행을 권장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 소프트웨어 공학 실천 방식은 양자 계산의 고유한 과제를 어떻게 적응시킬 수 있는가?
• RQ2 산업용 양자 소프트웨어 응용 프로그램을 구축하기 위해 필수적인 단계와 활동은 무엇인가?
• RQ3 양자 소프트웨어 개발의 전 생애 주기를 지원하기 위해 필요한 역할, 책임 및 도구는 무엇인가?
• RQ4 학계와 산업 간 협업은 양자 소프트웨어 공학의 성숙을 어떻게 가속화할 수 있는가?
• RQ5 양자 소프트웨어의 확장성과 유지보수성을 보장하기 위해 필요한 레퍼런스 아키텍처와 프레임워크는 무엇인가?

주요 결과

• 산업적 양자 계산 도입을 위해 형식화된 양자 소프트웨어 공학 생애 주기는 필수적이다.
• 제안된 QSE 프레임워크는 양자 응용 프로그램 개발의 복잡성을 체계적으로 관리하는 데에 효과적이다.
• 실용적인 도구와 방법론을 개발하기 위해 소프트웨어 공학 연구자들과 산업 간의 공동 노력이 핵심적이다.
• 소프트웨어 공학 실천이 양자 개발에 통합되면 양자 응용 프로그램의 신뢰성, 유지보수성, 정확성이 향상된다.
• 양자 시스템에 맞춤형으로 설계된 도메인 특화 언어, 자동화된 테스팅 및 검증 도구의 긴급한 필요성이 있다.
• 이 프레임워크는 실험용 양자 알고리즘에서 생산 준비가 된 소프트웨어 시스템으로의 전환을 가능하게 한다.