[論文レビュー] Quantum Computing: An Overview Across the System Stack

Salonik Resch, Ulya R. Karpuzcu|arXiv (Cornell University)|May 16, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 232被引用数 52

ひとこと要約

この論文はシステムスタック全体にわたる量子計算を概観し、潜在的な応用、ハードウェアアプローチ、ソフトウェアスタック、そしてスケーラブルな量子コンピュータへ向けた進展と課題を概説します。

ABSTRACT

Quantum computers, if fully realized, promise to be a revolutionary technology. As a result, quantum computing has become one of the hottest areas of research in the last few years. Much effort is being applied at all levels of the system stack, from the creation of quantum algorithms to the development of hardware devices. The quantum age appears to be arriving sooner rather than later as commercially useful small-to-medium sized machines have already been built. However, full-scale quantum computers, and the full-scale algorithms they would perform, remain out of reach for now. It is currently uncertain how the first such computer will be built. Many different technologies are competing to be the first scalable quantum computer.

研究の動機と目的

• 潜在的な科学的および商業的応用を概説することによって、量子計算を動機づけ、文脈づける。
• 量子アルゴリズムからハードウェア機器・システムアーキテクチャに至る横断的なレビューを提供する。
• 現在の物理的アプローチ（超伝導、イオントラップ、フォトニクス）とベンチマークデータを要約する。
• スケーラビリティに関連するメモリ、近似計算、アーキテクチャ上の考慮事項を検討する。
• NISQ時代の応用への進展と全規模量子コンピュータの見通しを強調する。

提案手法

• 基本原理からハードウェアとソフトウェアに至る量子システムスタック全体にわたる文献ベースの調査。
• 量子ビルディングブロックの比較、 including qubits, entanglement, memory constraints, and decoherence.
• 主要な量子アルゴリズム（Shor、Grover、QAOA、VQE）とその適用可能性のレビュー。
• ハードウェアプラットフォーム（超伝導、イオントラップ、フォトニック、アディアバティブ）とスケーラビリティの課題の要約。
• 量子ソフトウェア、コンパイラ、ISA、ツールチェーンの議論と、既存のエコシステムやプロジェクトの例。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典計算と比較した科学および産業における量子計算の潜在能力はどの程度か？
• RQ2 スケーラブルな量子コンピュータを構築するための主な物理的アプローチとそれらの現在の制限は何か？
• RQ3 量子アルゴリズムはどのように独自の量子資源を活用し、近期デバイスが実際的な利点を提供するのはどこか？
• RQ4 量子計算における重要なソフトウェア、コンパイル、アーキテクチャ上の課題は何で、それらはどのように対処されているか？
• RQ5 完全なスケーラブル量子計算へ向けた現実的なタイムラインとロードマップ、およびその予想影響は何か？

主な発見

• 量子計算は量子化学や特定の最適化タスクなどの領域で潜在的な利点を提供し、素因数分解のShor法や探索のGrover法などの特定のアルゴリズムが潜在的なスピードアップを示す。
• ノイズと限られた量子ビット数にもかかわらず、近端の量子デバイス（NISQ）は有用性を示し、現在の時代の応用とソフトウェア開発を促進している。
• 複数のハードウェアプラットフォーム（超伝導量子ビット、イオントラップ、アディアバティブ系）は産業界のリーダーによって開発が進められており、量子ビット数とハードウェア能力の顕著な進展が見られる。
• 高水準アルゴリズムをハードウェア指令へ翻訳する量子言語、コンパイラ、中間表現を含む強力なソフトウェアエコシステムが出現している。
• 量子メモリとエラー訂正は依然として大きな課題であり、実用的な大規模量子RAMはまだ存在せず、フォルトトレランスは資源を大量に要する。
• 実用的な観点は、完全規模の量子計算へ向けて段階的な進歩を可能にするハイブリッドなソフトウェア-ハードウェアアプローチとモジュラー設計を強調する。