QuantumX: an experience for the consolidation of Quantum Computing and Quantum Software Engineering as an emerging discipline

Dit artikel vat de eerste editie van het QuantumX-track samen, waarin leidende Spaanse onderzoeksgroepen de integratie van kwantumcomputing en software-engineering bespraken om gemeenschapsopbouw te stimuleren, gezamenlijke thema's te identificeren en de toekomstige richting van dit opkomend discipline te schetsen.

De kern

🌌 QuantumX: De bouwvakkers van de quantumwereld

Stel je voor dat Quantum Computing (kwantumcomputing) een nieuwe, gigantische stad is die net begint te worden gebouwd. Tot nu toe waren er vooral fysici en wiskundigen die de blauwdrukken tekenden en de eerste stenen legden. Maar om een stad echt bewoonbaar te maken, heb je meer nodig dan alleen blauwdrukken; je hebt bouwers, planners, inspecteurs en stadsplanners nodig. Dat zijn de software-engineers.

Het artikel "QuantumX" vertelt over een groot feest (een conferentie) dat in september 2025 in Spanje werd gehouden. Hier kwamen de belangrijkste Spaanse onderzoeksgroepen samen om te bespreken hoe ze deze nieuwe stad veilig, betrouwbaar en gebruiksvriendelijk kunnen maken.

🏗️ Van "Gooien met stenen" naar "Gebruiksklare huizen"

Vroeger was programmeren voor quantumcomputers net als het bouwen van een huis door één voor één stenen met je blote handen te leggen. Je moest precies weten hoe elke steen (een 'qubit' of 'poort') zich gedroogde. Dat was lastig, foutgevoelig en duur.

De onderzoekers bij QuantumX zeggen: "Laten we dat veranderen!" Ze willen hoogwaardige bouwmaterialen maken.

• Vergelijking: In plaats van dat elke timmerman zelf de spijkers moet smeden, willen ze een gereedschapskist met kant-en-klare schroeven en hamers maken. Dit noemen ze abstraktie. Ze bouwen "quantum-integers" (speciale cijfers) en "Locus" (een soort bouwplaat), zodat programmeurs zich niet meer hoeven te bekommeren om de ingewikkelde fysica, maar gewoon een huis kunnen ontwerpen.

🚦 Verkeersregelaars voor dure machines

Quantumcomputers zijn nu nog heel zeldzaam en duur om te huren (zoals een Formule 1-auto die je per minuut betaalt). Als je een foutje maakt, is je geld weg.

• De oplossing: De groepen hebben slimme verkeersregelaars bedacht (zoals QCRAFT en Qrchestrator).
• Hoe werkt het? Stel je hebt 100 kleine pakketjes die naar de auto moeten. In plaats van dat je 100 keer de auto start (wat duur is), bundelt deze regelaar de pakketjes. Hij kijkt welke auto op dat moment het minst verkeerd werkt en stuurt alles daarheen. Zo besparen ze tot wel 84% aan kosten en tijd.

🧪 De "Kwaliteitscontroleurs"

In de normale softwarewereld hebben we testen om te zien of een app niet crasht. In de quantumwereld is dat nog moeilijker, want de machines zijn onstabiel.

• De analogie: Stel je voor dat je een nieuw medicijn test. Je wilt weten of het werkt, maar je hebt maar één flesje. De onderzoekers hebben een truc bedacht: ze maken "mutanten" (kopietjes met een kleine fout) en testen die allemaal tegelijk op de machine.
• Ze hebben ook kwaliteitsnormen opgesteld (zoals een keurmerk voor quantumsoftware), zodat we weten of een quantum-app veilig en betrouwbaar is voordat hij op de markt komt.

🤝 Een groot team in plaats van losse eilanden

Een van de belangrijkste punten van het artikel is dat niemand dit alleen kan doen.

• Het verhaal: Voorheen werkten de universiteiten vaak als losse eilanden. Nu hebben ze een groot netwerk opgezet (genaamd RIPAISC en QSpain).
• Vergelijking: Het is alsof verschillende dorpen in Spanje hebben besloten om samen één grote supermarkt te bouwen. Iedereen brengt zijn eigen specialiteit mee: de een is goed in databases, de ander in robotica, en weer een ander in kunstmatige intelligentie. Samen bouwen ze een ecosysteem dat sterker is dan de som der delen.

🚀 Wat is de conclusie?

Het artikel zegt eigenlijk: "Spanje is klaar voor de quantum-revolutie, maar dan wel op een slimme manier."

Het gaat niet meer alleen om de vraag "Kan dit?" (dat is de natuurkunde), maar om "Hoe bouwen we dit zo dat het werkt, veilig is en iedereen het kan gebruiken?" (dat is de software-engineering).

Samengevat in één zin:
QuantumX is het moment waarop de bouwvakkers van de quantumwereld zich hebben verenigd om de blauwdrukken te maken voor een stad die niet alleen bestaat in theorie, maar ook veilig en betaalbaar voor iedereen is.

Technische samenvatting

Hier is een gedetailleerde technische samenvatting van het paper "QuantumX: an experience for the consolidation of Quantum Computing and Quantum Software Engineering as an emerging discipline", geschreven in het Nederlands.

Titel: QuantumX: Een ervaring voor de consolidatie van Quantum Computing en Quantum Software Engineering als een opkomende discipline

1. Het Probleem

Quantum Computing bevindt zich momenteel in een overgangsfase tussen theorie en praktijk. Hoewel er beperkte toegang is tot hardware en programmeertalen zich snel ontwikkelen, ontbreekt het vaak aan gevestigde engineeringpraktijken om de kwaliteit, onderhoudbaarheid en betrouwbaarheid van quantumsoftware te garanderen.
De kernproblemen die in het paper worden geïdentificeerd zijn:

• Gebrek aan software-engineering principes: De toepassing van klassieke principes zoals kwaliteitsborging, testen, orchestration en abstractie is nog niet volledig geïntegreerd in het quantumparadigma.
• Interdisciplinaire barrières: Er is een noodzaak tot nauwere samenwerking tussen software-engineers, fysici, wiskundigen en AI-experts om de industriële toepassing van quantumtechnologie te overbruggen.
• Fragmentatie: De onderzoeksgroepen in Spanje werkten vaak geïsoleerd, zonder een gecoördineerd nationaal forum om gezamenlijke uitdagingen aan te pakken.
• Efficiëntie en Kosten: Het uitvoeren van quantumtests en het plannen van taken op huidige NISQ-hardware (Noisy Intermediate-Scale Quantum) is duur en inefficiënt zonder geavanceerde planningsstrategieën.

2. Methodologie

Het paper beschrijft geen enkel experimenteel onderzoek, maar fungeert als een structurele synthese en kritische analyse van de eerste editie van de "QuantumX" track, gehouden tijdens de JISBD 2025 conferentie (29e Conferentie over Software Engineering en Databases).

• Event-gebaseerde analyse: De auteurs hebben bijdragen van diverse Spaanse onderzoeksgroepen (zoals Quercus, Alarcos, SCORE Lab, ITIS, etc.) geanalyseerd om gemeenschappelijke thema's, trends en engineeringuitdagingen te identificeren.
• Samenwerking en Netwerkvorming: De methodologie omvatte het faciliteren van netwerksessies en het presenteren van bestaande netwerken (RIPAISC en QSpain) om de gemeenschap te consolideren.
• Categorisatie van bijdragen: De gepresenteerde werken werden gecategoriseerd in domeinen zoals quantum service engineering, hybride architecturen, kwaliteitsmodellen, circuit-optimalisatie en quantum machine learning (QML).

3. Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

Het paper presenteert een overzicht van de technische bijdragen van de deelnemende groepen, die de diversiteit van het Spaanse quantum-ecosystem illustreren:

• Planning en Orchestration:

  • QCRAFT Scheduler: Een tool die planningsbeleid definieert om quantumcircuits te groeperen op cloud-QPUs. Dit resulteerde in een gemiddelde kostenreductie van ongeveer 84% en een reductie van wachttijden zonder significante kwaliteitsverlies.
  • Qrchestrator: Een error- en load-bewuste orchestrator voor meerdere NISQ-cloudproviders die dynamisch de meest geschikte backend selecteert om mislukte uitvoeringen te verminderen.

• Software Engineering en Kwaliteitsborging:

  • Service Engineering: Een proces voor quantum services dat OpenAPI uitbreidt, statische analyse (SonarQube) integreert en automatische codegeneratie mogelijk maakt. Er werden 40 implementaties geëvalueerd, waarbij variabiliteit in kwaliteitsattributen werd vastgesteld.
  • Mutation Testing: Een tool voor het uitvoeren van quantum mutatie-tests op echte hardware via taakplanning. Dit toonde een kostenreductie van tot 94% in vergelijking met individuele uitvoeringen, wat de haalbaarheid van grootschalig testen in de NISQ-ère bewijst.
  • Kwaliteitsmodellen: Een empirische validatie van een kwaliteitsmodel voor "analyserbaarheid" (ISO/IEC 25010) voor hybride systemen, waarbij klassieke en quantum-specifieke metrieken (zoals diepte en complexiteit) worden gecombineerd.

• Abstraktie en Programmeertalen:

  • Quantum Integer & Locus: Voorstellen voor hogere abstractieniveaus, zoals de "quantum integer" data-type en composable orakels, en "Locus" als een lichtgewicht abstractie voor circuitgebaseerde programmering. Dit streeft naar herbruikbaarheid en modulariteit, vergelijkbaar met de evolutie van assembler naar hogere programmeertalen in klassieke software.

• Quantum Machine Learning (QML) en Toepassingen:

  • Tensor Networks: Systematische evaluatie van het gebruik van tensornetwerken (MPS/PEPS) voor het simuleren van quantumneuronale netwerken, wat rekenkracht bespaart ten opzichte van dichte simulaties.
  • Hybride Modellen: Een hybride model voor klinische tekstclassificatie (longkanker) dat een klassieke CNN combineert met een quantum BiLSTM en attention-laag, wat verbeterde F1-scores opleverde.
  • Benchmarking: Introductie van "LazyQML", een Python-pakket voor het reproducibel benchmarken van QML-modellen.

• Databases en Cryptografie:

  • Quantum Databases: Een strategische roadmap voor het integreren van quantumalgoritmen (zoals Grover) in databasebeheer voor indexering en query-optimalisatie.
  • Veiligheid: Werk aan quantum-resistente encryptie en QKD (Quantum Key Distribution) centra.

• Netwerkvorming:

  • Presentatie van RIPAISC (Ibero-Amerikaans netwerk) en QSpain (Spaans nationaal netwerk) om samenwerking, opleiding en technologieoverdracht te stimuleren.

4. Significantie en Conclusie

Het paper concludeert dat de QuantumX-track een mijlpaal is geweest voor de consolidatie van Quantum Software Engineering als een zelfstandige discipline in Spanje.

• Van Theorie naar Praktijk: Het onderzoek verschuift van puur theoretische reflectie naar experimentele ontwikkeling, tooling en praktische engineeringmethodologieën.
• Interdisciplinariteit: De succesvolle integratie van expertise uit software-engineering, AI, databases en high-performance computing toont aan dat de oplossing voor quantumuitdagingen multidimensionaal is.
• Nationaal en Internationaal Profiel: Spanje positioneert zich als een opkomende en relevante speler in het Europese en mondiale quantum-ecosysteem, met een sterke basis voor toekomstige samenwerking binnen EU-initiatieven (zoals Quantum Flagship).
• Toekomstvisie: De track legt de basis voor een duurzame onderzoeksgemeenschap en benadrukt dat de voortgang van quantumcomputing niet alleen afhankelijk is van hardware, maar ook van het creëren van goed ontworpen, onderhoudbare en hoogwaardige quantumsoftware.

Kortom, het paper valideert de noodzaak van een gestructureerde aanpak van software-engineering principes in de quantumwereld en fungeert als een referentiepunt voor onderzoekers en praktici die zich bezighouden met de systematische toepassing van deze principes.