[论文解读] Quantum Software Development Lifecycle

Benjamin Weder, Johanna Barzen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2021

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一句话总结

本文提出了一种集成的量子软件开发生命周期（QS-SDLC），将混合量子应用中量子、经典和工作流组件的开发统一起来。通过分析关键软件工件及其相互关联，作者建立了一个连贯的生命周期框架，以指导端到端量子应用的设计、实现和编排，弥补了现有仅针对量子或经典代码的孤立生命周期所存在的空白。

ABSTRACT

With recent advances in the development of more powerful quantum computers, the research area of quantum software engineering is emerging, having the goal to provide concepts, principles, and guidelines to develop high-quality quantum applications. In classical software engineering, lifecycles are used to document the process of designing, implementing, maintaining, analyzing, and adapting software. Such lifecycles provide a common understanding of how to develop and operate an application, which is especially important due to the interdisciplinary nature of quantum computing. Since today`s quantum applications are, in most cases, hybrid, consisting of quantum and classical programs, the lifecycle for quantum applications must involve the development of both kinds of programs. However, the existing lifecycles only target the development of quantum or classical programs in isolation. Additionally, the various programs must be orchestrated, e.g., using workflows. Thus, the development of quantum applications also incorporates the workflow lifecycle. In this chapter, we analyze the software artifacts usually comprising a quantum application and present their corresponding lifecycles. Furthermore, we identify the points of connection between the various lifecycles and integrate them into the overall quantum software development lifecycle. Therefore, the integrated lifecycle serves as a basis for the development and execution of hybrid quantum applications.

研究动机与目标

• 解决混合量子应用中经典与量子程序结合时缺乏统一开发生命周期的问题。
• 认识到当前生命周期将量子与经典开发孤立处理，忽略了关键的集成点。
• 整合工作流生命周期，以管理混合应用中量子与经典组件的编排。
• 提供一个通用框架，以在量子软件工程这一跨学科领域实现开发标准化。
• 通过生命周期标准化，为可扩展、可维护且高质量的量子应用开发奠定基础。

提出的方法

• 分析量子应用中的核心软件工件，包括量子线路、经典控制代码和编排工作流。
• 基于既定的软件工程原则，为量子程序、经典程序和工作流分别定义独立的生命周期。
• 识别并形式化三者生命周期之间的集成点，尤其关注接口和数据流。
• 提出一个统一的QS-SDLC模型，协调所有组件在设计、实现、测试和维护阶段的流程。
• 采用分层架构表示生命周期阶段，强调量子与经典开发团队之间的协作。
• 应用经典软件工程原则，以适应量子计算的独特约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何系统性地组织混合量子应用在量子、经典和工作流组件上的开发？
• RQ2 量子、经典和工作流生命周期在量子应用开发中的关键集成点是什么？
• RQ3 如何调整现有的软件工程生命周期模型以适应量子程序的独特特性？
• RQ4 工作流编排在量子应用生命周期中扮演什么角色，应如何整合？
• RQ5 统一的生命周期模型如何提升量子软件的质量、可维护性和可扩展性？

主要发现

• 所提出的QS-SDLC将量子、经典和工作流生命周期整合为一个统一的框架，用于混合量子应用开发。
• 该框架能够系统化地管理量子线路、经典控制逻辑和编排工作流之间的依赖关系与交互。
• 生命周期模型支持端到端开发，涵盖从设计到部署的完整流程，并设有明确的测试与维护阶段。
• 工作流生命周期的整合确保了量子与经典组件的正确编排，这对混合应用的执行至关重要。
• 该模型为跨学科协作提供了共同基础，提升了量子软件工程中的清晰度与一致性。
• 该方法通过将孤立的生命周期统一为单一、标准化的开发流程，弥补了当前实践中的关键空白。