[논문 리뷰] Quality Attributes on Quantum Computing Platforms

Balwinder Sodhi|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 15.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 25인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 양자 계산 플랫폼(QCP)의 핵심 아키텍처적 특성들을 규명하고, 이들이 소프트웨어 품질 특성(QAs)에 미치는 영향을 분석한다. 연구 결과, 유지보수성, 검증 가능성, 신뢰성과 같은 대부분의 QAs는 QCP의 제약—예를 들어 네이티브 OS 부재, 제한된 이식성, 확률적 프로그래밍 모델—으로 인해 악화되며, 성능과 확장성은 긍정적으로 影향을 받는다.

ABSTRACT

As the practical Quantum Computing Platforms (QCPs) rapidly become a reality, it is desirable to harness their true potential in software applications. Thus it becomes important to determine the implications of QCPs for software architecture. In this paper we present the in-depth examination of state-of-the-art QCPs for identifying all such characteristics of a QCP that are relevant from software architecture perspective. Lack of a native quantum operating system, a hard dependency on quantum algorithms, the lower level of programming abstractions are few, out of many, examples of QCP characteristics which may affect architecture of quantum software applications. Key contributions of this paper include identifying: i) The general architecture of a QCP, ii) The programming model which is typically used when developing software for a QCP, iii) Architecturally significant characteristics of QCPs and iv) The impact of these characteristics on various Quality Attributes (QAs). We show that except performance and scalability, most of the other QAs (e.g. maintainability, testability, reliability etc.) are adversely affected by different characteristics of a QCP.

연구 동기 및 목표

• 현재의 양자 계산 플랫폼(QCP)과 관련된 소프트웨어 개발에 영향을 미치는 아키텍처적 특성들을 규명하고 분석하는 것.
• 이러한 QCP 특성이 유지보수성, 검증 가능성, 신뢰성, 확장성과 같은 소프트웨어 품질 특성(QAs)에 어떻게 영향을 미치는지 조사하는 것.
• QCP의 제약—예를 들어 네이티브 OS 부재, 제한된 알고리즘 가용성—이 양자 소프트웨어 아키텍처와 개발 관행에 미치는 영향을 평가하는 것.
• QCP 제약를 고려할 때 기존 소프트웨어 공학 관행(예: 테스팅, SDLC)이 양자 소프트웨어에 얼마나 적합한지 평가하는 것.
• 소프트웨어 아키텍트가 적절한 QCP를 선택하고 플랫폼의 내재된 제약을 최소화하는 양자 애플리케이션을 설계할 수 있도록 안내하는 것.

제안 방법

• 최신 QCP를 심층적으로 분석하여 하드웨어(예: 초전도 큐비트)와 소프트웨어 스택(예: IBM Q Experience, Rigetti, OpenQASM)을 포함한다.
• 기존 소프트웨어 아키텍처 문헌을 바탕으로 원인-결과 추론을 사용하여 플랫폼 특성과 품질 특성 정의를 매핑한다.
• 품질 특성 실현을 위한 설계 전략을 평가하여 QCP 특성이 이 전략의 이행을 어떻게 촉진하거나 저해하는지 확인한다.
• 이식성 제한, 네이티브 양자 OS 부재, 양자 알고리즘 의존성 등 소프트웨어 아키텍처에 영향을 미치는 12개의 핵심 QCP 특성을 규명한다.
• 접근 가능한 QCP에서의 프로그래밍 경험과 공개된 기술 문서를 바탕으로 연구 결과를 검증한다.
• 두 단계로 구성된 방법을 적용한다: (1) 플랫폼-QA 관계를 분석하기 위해 QA 정의를 분석하고, (2) 이를 설계 전략에 매핑하여 영향을 유추한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 양자 계산 플랫폼(QCP)에서 양자 소프트웨어 개발에 영향을 미치는 핵심 아키텍처적 특성은 무엇인가?
• RQ2 QCP 특성은 유지보수성, 검증 가능성, 신뢰성과 같은 소프트웨어 품질 특성(QAs)의 실현에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 기존 소프트웨어 공학 관행(예: 테스팅, SDLC)이 양자 소프트웨어 개발에 얼마나 적용 가능한가?
• RQ4 어느 품질 특성이 QCP 특성으로 인해 긍정적으로 영향을 받고, 어느 특성이 가장 심각하게 악영향을 받는가?
• RQ5 네이티브 양자 OS 부재나 제한된 양자 네트워킹과 같은 플랫폼 특유의 제약은 양자 애플리케이션의 아키텍처 설계에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 네이티브 양자 운영체제의 부재는 양자 애플리케이션의 성능, 관리 용이성, 신뢰성, 확장성, 보안성에 심각한 악영향을 미친다.
• Rigetti의 ISA와 IBM의 OpenQASM 간의 호환성 없는 명령 세트로 인해 QCP 간 이식성이 제한되며, 이는 가용성, 상호운용성, 유지보수성에 악영향을 준다.
• 양자 프로그래밍의 본질적 확률적 성격은 코드 복잡성을 증가시키고, 검증 가능성, 유지보수성, 보안성에 부정적 영향을 미친다.
• 복제 금지 및 전송 금지 정리로 인해 영구적 데이터 접근을 위해 고전적 스토리지에 의존해야 하며, 이는 관리 용이성, 성능, 확장성에 악영향을 준다.
• 양자 네트워킹은 아직 실용 수준에 도달하지 못해 분산 양자 애플리케이션의 신뢰성, 확장성, 성능을 제한한다.
• 큐비트의 공명 시간과 병렬 처리 능력과 같은 QCP 특성으로 인해 성능과 확장성은 긍정적으로 영향을 받지만, 대부분의 다른 QAs는 플랫폼 제약으로 인해 악화된다.