[论文解读] Quantum Software Engineering: A New Genre of Computing

Muhammad Azeem Akbar, Arif Ali Khan+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2022

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一句话总结

本文提出了一套全面的量子软件工程（QSE）生命周期框架，涵盖量子需求工程、设计、实现、测试和维护，以应对工业界对可扩展、可靠量子应用日益增长的需求。该文倡导学术界与工业界协同创新，开发新一代量子软件的新方法、新工具和参考架构。

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.

研究动机与目标

• 弥合工业量子计算应用中系统化软件工程实践的空白。
• 响应量子硬件加速部署的趋势，建立针对量子系统的软件开发生命周期。
• 弥合理论量子计算与实际软件工程之间的鸿沟，以实现真实世界的部署。
• 促进软件工程研究人员与工业界的合作，以开发稳健、可维护的量子软件。
• 为新兴的量子软件工程领域建立基础流程和工具。

提出的方法

• 提出五阶段QSE生命周期：需求工程、设计、实现、测试和维护。
• 将经典软件工程原则与量子系统的特定约束和能力相结合。
• 强调需要采用领域特定的建模和形式化规格说明技术来处理量子算法。
• 呼吁开发领域特定语言（DSLs）和工具链，以支持量子代码的开发与验证。
• 强调需开发适配量子叠加和纠缠特性的自动化测试与验证技术。
• 建议采用参考架构和标准化实践，以确保量子软件的可移植性、正确性和可维护性。

实验结果

研究问题

• RQ1 经典软件工程实践如何适应量子计算的独特挑战？
• RQ2 构建工业级量子软件应用所需的关键阶段和活动是什么？
• RQ3 支持量子软件开发全生命周期所需的人员角色、职责和工具是什么？
• RQ4 学术界与工业界如何协作以加速量子软件工程的成熟？
• RQ5 为确保量子软件的可扩展性和可维护性，需要哪些参考架构和框架？

主要发现

• 正式化的量子软件工程生命周期对于量子计算的工业应用至关重要。
• 所提出的QSE框架为管理量子应用开发中的复杂性提供了结构化方法。
• 软件工程研究人员与工业界的联合努力对于开发实用工具和方法论至关重要。
• 将软件工程实践整合到量子开发中，可提升量子应用的可靠性、可维护性和正确性。
• 迫切需要针对量子系统定制的领域特定语言、自动化测试和验证工具。
• 该框架可实现从实验性量子算法到生产就绪软件系统的过渡。