[论文解读] A systematic mapping on quantum software development in the context of software engineering

Paulo Eduardo Zanni, Valter Vieira de Camargo|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 23被引用 4

一句话总结

本系统映射研究从软件工程视角探究量子软件开发，分析了24篇关键论文，识别出编程基础设施、经典与量子软件开发生命周期的差异，以及主导的应用领域。研究发现，量子软件开发仍处于初期阶段，新兴工具如Q#、Quipper和Qiskit在基础设施方面处于领先地位，而形式化的软件工程实践在量子计算背景下仍不成熟。

ABSTRACT

Quantum Computing is a new paradigm that enables several advances which are impossible using classical technology. With the rise of quantum computers, the software is also invited to change so that it can better fit this new computation way. However, although a lot of research is being conducted in the quantum computing field, it is still scarce studies about the differences of the software and software engineering in this new context. Therefore, this article presents a systematic mapping study to present a wide review on the particularities and characteristics of software that are developed for quantum computers. A total of 24 papers were selected using digital libraries with the objective of answering three research questions elaborated in the conduct of this research.

研究动机与目标

• 识别并分类量子软件开发所使用的主流编程基础设施。
• 比较经典软件与量子软件的软件开发生命周期（SDLC）阶段，突出关键差异。
• 基于当前研究，确定量子软件最契合的应用领域。
• 评估软件工程实践在量子计算背景下的成熟度与现状。

提出的方法

• 通过数字图书馆（ACM、IEEE Xplore、Scopus、arXiv）开展系统映射研究，以识别相关文献。
• 应用预设的纳入与排除标准，从多样化来源中筛选出24篇高质量研究。
• 从每篇选定论文中提取关于编程语言、开发方法论和应用领域数据。
• 通过主题分析综合研究发现，以回答研究问题。
• 使用结构化数据提取表格，确保分析的一致性并减少偏差。
• 通过对比分析评估量子计算中软件工程实践的成熟度与覆盖范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 开发量子软件的主要编程基础设施是什么？
• RQ2 在开发阶段方面，开发传统软件与量子软件的关键差异是什么？
• RQ3 量子软件在哪些应用领域中最为契合？

主要发现

• Q#和Quipper是最重要的高层量子编程语言之一，其中Q#特别针对可扩展性及与经典系统的集成而设计。
• 量子软件开发生命周期与经典SDLC存在显著差异，尤其在需求和设计阶段，这是由于量子特定约束（如量子比特相干性和错误率）所致。
• 量子软件在量子机器学习、密码学和量子化学模拟领域中研究最活跃，应用最广泛。
• 形式化验证与测试技术正在出现，但仍不成熟，仅有少数研究提出断言或基于模型的验证。
• 越来越多的研究关注将量子计算集成到工作流与编排模型中，如TOSCA4QC和工作流集成框架。
• 尽管已有进展，量子软件工程仍缺乏标准化方法论，多数研究集中于底层编程与工具开发，而非全栈工程实践。