論文の概要: Faster and Better Quantum Software Testing through Specification Reduction and Projective Measurements

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2405.15450v2
• Date: Mon, 28 Oct 2024 10:52:53 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-10-29 12:18:48.760024
• Title: Faster and Better Quantum Software Testing through Specification Reduction and Projective Measurements
• Title（参考訳）: スペックリダクションと投影計測による高速かつ優れた量子ソフトウェアテスト
• Authors: Noah H. Oldfield, Christoph Laaber, Tao Yue, Shaukat Ali,
• Abstract要約: 制限を克服するために、量子プログラム仕様に還元アルゴリズムを適用する。 平均テストランタイムは169.9sから11.8sに改善され、大きな回路深度を持つプログラムに顕著な改善が加えられた。 提案手法は, 突然変異率を54.5%から74.7%に引き上げ, 位相フリップ欠陥を効果的に検出する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.651336050433075
• License:
• Abstract: Quantum computing promises polynomial and exponential speedups in many domains, such as unstructured search and prime number factoring. However, quantum programs yield probabilistic outputs from exponentially growing distributions and are vulnerable to quantum-specific faults. Existing quantum software testing (QST) approaches treat quantum superpositions as classical distributions. This leads to two major limitations when applied to quantum programs: (1) an exponentially growing sample space distribution and (2) failing to detect quantum-specific faults such as phase flips. To overcome these limitations, we introduce a QST approach, which applies a reduction algorithm to a quantum program specification. The reduced specification alleviates the limitations (1) by enabling faster sampling through quantum parallelism and (2) by performing projective measurements in the mixed Hadamard basis. Our evaluation of 143 quantum programs across four categories demonstrates significant improvements in test runtimes and fault detection with our reduction approach. Average test runtimes improved from 169.9s to 11.8s, with notable enhancements in programs with large circuit depths (383.1s to 33.4s) and large program specifications (464.8s to 7.7s). Furthermore, our approach increases mutation scores from 54.5% to 74.7%, effectively detecting phase flip faults that non-reduced specifications miss. These results underline our approach's importance to improve QST efficiency and effectiveness.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピューティングは、非構造探索や素数分解など、多くの領域における多項式と指数的高速化を約束する。 しかし、量子プログラムは指数関数的に増大する分布から確率的出力を導き、量子固有の断層に対して脆弱である。 既存の量子ソフトウェアテスト(QST)アプローチは、量子重ね合わせを古典的な分布として扱う。 これは、(1)指数関数的に増加するサンプル空間分布と(2)位相フリップのような量子固有の欠陥を検出できないという2つの大きな制限をもたらす。 これらの制限を克服するために、量子プログラム仕様に還元アルゴリズムを適用するQSTアプローチを導入する。 縮小された仕様は、(1)量子並列性による高速なサンプリングを可能にし、(2)混合アダマール基底での射影測定を行うことによって制限を緩和する。 4つのカテゴリにまたがる143個の量子プログラムの評価は、テスト実行時間と故障検出の大幅な改善を示す。 平均テストランタイムは169.9sから11.8sに改善され、大きな回路深度(383.1sから33.4s)と大規模なプログラム仕様(464.8sから7.7s)のプログラムが大幅に改良された。 さらに,提案手法は変異スコアを54.5%から74.7%に増加させ,非再現仕様が見逃す位相フリップ欠陥を効果的に検出する。 これらの結果は、QST効率と有効性を改善するためのアプローチの重要性を浮き彫りにしている。

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