[论文解读] Software Architecture for Quantum Computing Systems -- A Systematic Review

Arif Ali Khan, Aakash Ahmad+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2022

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一句话总结

本篇系统文献回顾指出，量子软件架构（QSA）是一个新兴学科，需要量身定制的流程、建模符号、设计模式和工具链。研究发现，量子比特和量子门可被建模为架构组件和连接件，从而实现以架构为中心的开发，以提升量子软件的质量与可维护性。

ABSTRACT

Quantum computing systems rely on the principles of quantum mechanics to perform a multitude of computationally challenging tasks more efficiently than their classical counterparts. The architecture of software-intensive systems can empower architects who can leverage architecture-centric processes, practices, description languages, etc., to model, develop, and evolve quantum computing software (quantum software for short) at higher abstraction levels. We conducted a systematic literature review (SLR) to investigate (i) architectural process, (ii) modeling notations, (iii) architecture design patterns, (iv) tool support, and (iv) challenging factors for quantum software architecture. Results of the SLR indicate that quantum software represents a new genre of software-intensive systems; however, existing processes and notations can be tailored to derive the architecting activities and develop modeling languages for quantum software. Quantum bits (Qubits) mapped to Quantum gates (Qugates) can be represented as architectural components and connectors that implement quantum software. Tool-chains can incorporate reusable knowledge and human roles (e.g., quantum domain engineers, quantum code developers) to automate and customize the architectural process. Results of this SLR can facilitate researchers and practitioners to develop new hypotheses to be tested, derive reference architectures, and leverage architecture-centric principles and practices to engineer emerging and next generations of quantum software.

研究动机与目标

• 调查量子软件架构中的架构流程、建模符号、设计模式、工具支持及挑战。
• 评估现有软件架构实践是否可被适配用于量子软件开发。
• 识别当前量子软件工程与架构研究中的研究空白与机遇。
• 支持研究人员与实践者构建参考架构，并开展以假设为驱动的量子软件工程研究。
• 推动以架构为中心的方法，以提升量子软件系统的质量与可维护性。

提出的方法

• 依照Kitchenham与Charters（2007）的指南，开展系统文献回顾（SLR），以识别相关研究。
• 采用两阶段雪球法，从多个学术数据库与引用网络中识别并筛选相关研究。
• 使用Cohen’s Kappa检验，确保评审人员在研究筛选与数据提取过程中的评分一致性。
• 将识别出的研究映射至五个关键主题：架构流程、建模符号、设计模式、工具支持与挑战。
• 将研究发现综合为对当前实践、局限性与机遇的结构化分析，涵盖量子软件架构领域。
• 评估现有工具、语言与框架在支持量子软件架构为中心开发方面的成熟度与适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前用于量子软件开发的架构流程有哪些？
• RQ2 哪些建模符号与描述语言被用于表示量子软件架构？
• RQ3 现有或提出的量子软件系统中存在哪些设计模式？
• RQ4 在建模、开发与演化量子软件架构方面，有哪些可用的工具支持？
• RQ5 在设计与构建量子软件架构方面，面临哪些关键挑战？

主要发现

• 量子软件代表了一类新型的软件密集型系统，亟需专门的架构方法。
• 量子比特（qubits）与量子门（qugates）可分别被有效建模为架构组件与连接件。
• 现有软件架构实践与符号可被适配，以支持在更高抽象层次上进行量子软件的架构设计。
• 集成可重用知识与人为角色（例如，量子领域工程师、量子代码开发者）的工具链，可实现架构流程的自动化与定制化。
• 当前量子编程语言缺乏全局性的架构视图，损害了系统质量与可维护性。
• 在系统性、基于证据的量子软件架构研究方面存在显著空白，表明亟需开展更多实证与数据驱动的研究。