[논문 리뷰] Software Architecture for Quantum Computing Systems -- A Systematic Review

Arif Ali Khan, Aakash Ahmad외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 11.

Cloud Computing and Resource Management인용 수 6

한 줄 요약

이 체계적 문헌 고찰은 양자 소프트웨어 아키텍처(QSA)가 특화된 프로세스, 모델링 표기법, 설계 패턴, 도구 체인을 필요로 하는 신규 분야임을 밝혀낸다. 이 연구는 큐비트와 양자 게이트를 아키텍처 컴포넌트와 커넥터로 모델링할 수 있음을 발견하여, 아키텍처 중심 개발이 양자 소프트웨어의 품질과 유지보수성을 향상시킬 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 소프트웨어 아키텍처에서의 아키텍처 프로세스, 모델링 표기법, 설계 패턴, 도구 지원 및 과제를 조사하기 위해.
• 기존 소프트웨어 아키텍처 관행이 양자 소프트웨어 개발에 적응 가능한지 평가하기 위해.
• 현재의 양자 소프트웨어 공학 및 아키텍처 연구에서의 격차와 기회를 규명하기 위해.
• 연구자와 실무자가 기준 아키텍처 개발 및 가설 기반 연구를 수행하는 데 지원하기 위해.
• 양자 소프트웨어 시스템의 품질과 유지보수성을 향상시키기 위해 아키텍처 중심 접근법을 촉진하기 위해.

제안 방법

• Kitchenham과 Charters(2007)의 지침을 따르는 체계적 문헌 고찰(SLR)을 수행하여 관련 연구를 식별하기 위해.
• 다양한 학술 데이터베이스와 인용 네트워크에서 관련 연구를 식별하고 걸러내기 위해 이중 단계의 스노우볼링 과정을 적용하기 위해.
• 연구 선정 및 데이터 추출 과정에서 평가자 간의 상호 신뢰도를 확보하기 위해 Cohen의 Kappa 검정을 사용하기 위해.
• 다섯 가지 핵심 주제인 아키텍처 프로세스, 모델링 표기법, 설계 패턴, 도구 지원, 과제로 식별된 연구를 매핑하기 위해.
• 현재의 관행, 한계 및 기회에 대한 체계적 분석으로 연구 결과를 종합하기 위해.
• 기존 도구, 언어 및 프레임워크의 성숙도와 아키텍처 중심 개발 지원 가능성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 양자 소프트웨어 개발을 위해 사용되거나 제안된 아키텍처 프로세스는 무엇인가?
• RQ2 양자 소프트웨어 아키텍처를 표현하기 위해 사용되는 모델링 표기법과 기술 언어는 무엇인가?
• RQ3 양자 소프트웨어 시스템을 위해 존재하거나 제안된 설계 패턴은 무엇인가?
• RQ4 양자 소프트웨어 아키텍처의 모델링, 개발 및 진화를 위한 도구 지원은 어떤 것이 있는가?
• RQ5 양자 소프트웨어 아키텍처 설계 및 공학에서의 주요 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 양자 소프트웨어는 전용 아키텍처 접근법이 필요한 소프트웨어 중심 시스템의 새로운 유형이다.
• 큐비트(큐비트)와 양자 게이트(큐게이트)는 각각 아키텍처 컴포넌트와 커넥터로 효과적으로 모델링될 수 있다.
• 기존의 소프트웨어 아키텍처 관행과 표기법은 양자 소프트웨어의 고수준 아키텍처 설계를 지원하기 위해 적응 가능하다.
• 재사용 가능한 지식과 인간 역할(예: 양자 도메인 엔지니어, 양자 코드 개발자)을 통합한 도구 체인은 아키텍처 프로세스의 자동화 및 맞춤화를 가능하게 한다.
• 현재의 양자 프로그래밍 언어에서 전반적인 아키텍처 시각의 부재는 시스템 품질과 유지보수성을 떨어뜨린다.
• 양자 소프트웨어 아키텍처에 대한 체계적이고 근거 기반 연구의 격차가 크며, 이는 향후 경험적이고 데이터 기반 연구의 필요성을 시사한다.