基于语法规则设计的量子软件栈缺陷检测方法研究

作     者：瞿兴 

作者单位：西北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汤战勇

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070201[理学-理论物理] 0835[工学-软件工程] 081201[工学-计算机系统结构] 0702[理学-物理学] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 081202[工学-计算机软件与理论] 

主      题：量子计算 软件测试 差分模糊测试 代码生成 

摘      要：量子软件栈是指为了完成量子计算任务所需的一套软件子系统或组件,是量子计算机系统中的开发层软件套件,提供了研究量子算法、开发量子应用的工具链,主要包括量子编程语言、量子编译器、量子模拟器和测控软件。目前围绕量子软件栈的测试工作刚刚起步,缺少成熟方法开展量子软件缺陷的检测,为保障量子计算机和量子软件的可靠运行,本文提出了一种基于语法规则设计的差分模糊测试方法,实现对量子软件栈的自动化缺陷检测,其主要研究内容如下:（1）针对当前量子软件栈测试工作中用例数量有限、多样性不足,导致被测试软件覆盖率较低,潜在缺陷难以触发的问题,本文提出了一种基于量子程序语言语法规则设计的代码生成方法。该方法通过手工总结量子程序语言的语法规则,设计代码生成模板,并结合大量API调用语句和回归测试用例进行代码生成。基于此方法构建的代码生成器能够生成随机性高、覆盖范围广、语法正确、语义丰富的高质量量子测试用例,保障了量子软件栈测试工作的稳定进行。（2）针对当前量子软件栈测试工作中结果确认环节缺失判别筛查机制导致大量误报、漏报的问题,本文提出了一种基于差分模糊测试机制的缺陷检测方法。通过在量子软件栈中执行大量随机生成测试用例,同步监控量子软件栈的异常表现,并对异常执行结果利用差分方法自动筛选,有效减少了误报、漏报带来的人力开销。该方法筛查结果准确,有助于量子软件栈测试的自动化和规模化开展。（3）为了验证上述两种方法在实际检测中的效果,本文设计并实现了一个量子软件栈模糊测试系统QuantumFuzz,利用该系统对微软公司研发的QDK（Quantum Development Kit）进行缺陷检测,成功检测出QDK的17个软件缺陷,其中包括11个量子编译器功能实现缺陷,1个量子模拟器性能缺陷,和5个标准开发文档设计缺陷,以上所有缺陷均已被微软公司的开发人员确认,大部分缺陷已被修复。