[论文解读] The Quantum Frontier of Software Engineering: A Systematic Mapping Study

Manuel De Stefano, Fabiano Pecorelli+3 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本系统映射研究调查了量子软件工程（QSE）的现状，分析了2016至2023年间158项研究，以映射研究趋势、工具使用及合作模式。研究发现，QSE研究主要集中在软件测试，主要使用Qiskit工具，对管理方面的关注有限，研究人员之间存在显著的合作集群，且多发表于非主题性会议。

ABSTRACT

Context. Quantum computing is becoming a reality, and quantum software engineering (QSE) is emerging as a new discipline to enable developers to design and develop quantum programs. Objective. This paper presents a systematic mapping study of the current state of QSE research, aiming to identify the most investigated topics, the types and number of studies, the main reported results, and the most studied quantum computing tools/frameworks. Additionally, the study aims to explore the research community's interest in QSE, how it has evolved, and any prior contributions to the discipline before its formal introduction through the Talavera Manifesto. Method. We searched for relevant articles in several databases and applied inclusion and exclusion criteria to select the most relevant studies. After evaluating the quality of the selected resources, we extracted relevant data from the primary studies and analyzed them. Results. We found that QSE research has primarily focused on software testing, with little attention given to other topics, such as software engineering management. The most commonly studied technology for techniques and tools is Qiskit, although, in most studies, either multiple or none specific technologies were employed. The researchers most interested in QSE are interconnected through direct collaborations, and several strong collaboration clusters have been identified. Most articles in QSE have been published in non-thematic venues, with a preference for conferences. Conclusions. The study's implications are providing a centralized source of information for researchers and practitioners in the field, facilitating knowledge transfer, and contributing to the advancement and growth of QSE.

研究动机与目标

• 映射量子软件工程（QSE）研究的当前状态，识别主导的研究主题、工具和趋势。
• 分析QSE研究的演变及其研究共同体的合作模式。
• 评估在Talavera宣言正式提出QSE之前既有贡献的作用。
• 评估QSE研究的发表渠道与质量，尤其关注实证研究和工具导向研究。

提出的方法

• 在多个数据库中开展系统性文献检索，使用与量子计算和软件工程相关的预定义关键词。
• 应用纳入与排除标准筛选相关研究，最终确定158项主要研究用于分析。
• 采用预定义标准评估研究质量，以确保提取数据的可靠性。
• 提取研究主题、所用工具/框架（例如Qiskit、Cirq）、发表渠道、合作网络及研究重点的数据。
• 进行主题分析，按研究领域对研究进行分类，并识别主导趋势。
• 绘制合作网络，以识别QSE中的关键研究集群和有影响力的科研人员。

实验结果

研究问题

• RQ1 2016至2023年间，量子软件工程研究中被最广泛研究的主题是什么？
• RQ2 QSE研究中最常使用的量子计算工具和框架有哪些？
• RQ3 QSE研究共同体在合作与发表模式方面如何演变？
• RQ4 在Talavera宣言正式提出QSE之前，既有贡献在其中扮演了何种角色？
• RQ5 QSE研究主要发表于哪些类型的发表渠道，这如何反映该领域的学术定位？

主要发现

• 软件测试是QSE研究中被最广泛研究的主题，多数研究聚焦于量子程序的验证、确认与调试。
• Qiskit是QSE研究中最常使用的框架，尽管许多研究同时使用多种或未明确指定特定技术。
• QSE研究共同体以强烈的合作集群为特征，研究人员频繁共同发表论文并形成相互关联的研究团队。
• 大多数QSE研究发表于非主题性会议而非专业期刊，表明该领域尚处于初步但快速增长的阶段。
• 关于量子软件工程管理与流程相关主题的研究仍处于探索阶段，关注度远低于实现与测试相关主题。
• 在Talavera宣言正式提出QSE之前，已有相关研究贡献存在，表明该领域是逐步发展而来，而非突然正式确立。