[论文解读] Quality Attributes on Quantum Computing Platforms

Balwinder Sodhi|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 25被引用 14

一句话总结

本文識別了量子計算平台（QCPs）的關鍵架構特徵，並分析其對軟體品質屬性（QAs）的影響。研究發現，大多數QAs——如可維護性、可測試性和可靠性——受到QCP限制（如缺乏原生作業系統、可攜性有限、機率性程式設計模型）的負面影響，而效能與可擴展性則受到正面影響。

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.

研究动机与目标

• 識別並分析當前量子計算平台（QCPs）與軟體開發相關的架構特徵。
• 研究這些QCP特徵如何影響軟體品質屬性（QAs），如可維護性、可測試性、可靠性與可擴展性。
• 評估QCP限制（如缺乏原生作業系統與演算法可用性有限）對量子軟體架構與開發實務的影響。
• 評估傳統軟體工程實務（如測試、SDLC）在QCP限制下對量子軟體的適用性。
• 協助軟體架構師選擇適當的QCP，並設計能減輕平台固有限制的量子應用。

提出的方法

• 對最新一代QCP進行深入分析，包括硬體（如超導量子位元）與軟體堆疊（如IBM Q Experience、Rigetti、OpenQASM）。
• 基於既有的軟體架構文獻，運用因果推理，將平台特徵對應至品質屬性定義。
• 評估實現QAs所建議的設計策略，以判斷QCP特徵如何促成或阻礙其達成。
• 識別出12項影響軟體架構的關鍵QCP特徵，如可攜性有限、缺乏量子作業系統，以及對量子演算法的依賴。
• 使用在可取得的QCP上程式設計的實證觀察與公開技術文件，以驗證研究發現。
• 採用兩步驟方法：(1) 分析QA定義與平台-QA關係；(2) 將其對應至設計策略，以推斷影響。

实验结果

研究问题

• RQ1 當前量子計算平台（QCPs）的關鍵架構特徵為何？這些特徵如何影響量子軟體開發？
• RQ2 QCP特徵如何影響可維護性、可測試性與可靠性等軟體品質屬性（QAs）的實現？
• RQ3 傳統軟體工程實務（如測試、SDLC）在多大程度上仍適用於量子軟體開發？
• RQ4 哪些品質屬性受到QCP特徵的正面影響，哪些受到最嚴重的負面影響？
• RQ5 平台特定限制（如缺乏原生量子作業系統或量子網路能力有限）如何影響量子應用的架構設計？

主要发现

• 缺乏原生量子作業系統顯著損害量子應用的效能、可管理性、可靠性、可擴展性與安全性。
• 因指令集不相容（如Rigetti的ISA與IBM的OpenQASM）導致跨QCP可攜性有限，不利於可用性、互操作性與可維護性。
• 量子程式設計的根本機率性特徵增加程式碼複雜度，對可測試性、可維護性與安全性產生負面影響。
• 由於不可克隆與不可teleportation定理，必須依賴經典儲存來存取持久資料，進而削弱可管理性、效能與可擴展性。
• 量子網路尚未達到生產可用水準，限制了分佈式量子應用的可靠性、可擴展性與效能。
• 儘管QCP特徵（如量子位元相干時間與平行運算）對效能與可擴展性有正面影響，但大多數其他QAs仍受平台限制的負面影響。