[論文レビュー] Quantum computing at the quantum advantage threshold: a down-to-business review

Aleksey K. Fedorov, N. Gisin+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 35

ひとこと要約

tldr: 量子優越性の閾値にある量子計算の広く、アクセスしやすい調査で、モデル、プラットフォーム、アプリケーション、ソフトウェア、市場展望を扱う。

ABSTRACT

It is expected that quantum computers would enable solving various problems that are beyond the capabilities of the most powerful current supercomputers, which are based on classical technologies. In the last three decades, advances in quantum computing stimulated significant interest in this field from industry, investors, media, executives, and general public. However, the understanding of this technology, its current capabilities and its potential impact in these communities is still lacking. Closing this gap requires a complete picture of how to assess quantum computing devices' performance and estimate their potential, a task made harder by the variety of quantum computing models and physical platforms. Here we review the state of the art in quantum computing, promising computational models and the most developed physical platforms. We also discuss potential applications, the requirements posed by these applications and technological pathways towards addressing these requirements. Finally, we summarize and analyze the arguments for the quantum computing market's further exponential growth. The review is written in a simple language without equations, and should be accessible to readers with no advanced background in mathematics and physics.

研究の動機と目的

• モデル、プラットフォーム、アプリケーション全体にわたる量子計算の現状を説明する。
• 量子デバイスを評価し、実世界のタスクへの準備度を判断する方法を明確にする。
• 課題、ベンチマーク、フォルトトレランスとエラー訂正への道筋を特定する。
• 量子技術を加速させる市場動向と国家プログラムを論じる。

提案手法

• ゲートベース、ワンウェイ、アディアバティック、バリエーショナルなどの量子計算モデルと非ユニバーサル・シミュレータの全体像を調査・統合する。
• 物理プラットフォーム（固体、原子/イオン、光学）とその構成オプションを検討する。
• エラー機構、NISQデバイス、およびトポロジー保護を含むフォルトトレラント手法を論じる。
• 基礎科学、最適化、化学、暗号解析、機械学習にまたがる応用を概説する。
• 技術的ベンチマークとユーザー志向の指標を組み合わせた評価の枠組みを提案する。
• 国家プログラムと産業上のマイルストーンを含む市場と政策の文脈を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的な優位性に向かって現在進展している主な量子計算モデルとプラットフォームは何か。
• RQ2 さまざまなアーキテクチャと誤差モードを考慮して、量子デバイスをどのようにベンチマークし比較できるか。
• RQ3 量子優越性を示せそうな最も有望な実用応用は何か、そして必要な技術的マイルストーンは何か。
• RQ4 国家プログラムと市場動向は量子計算産業の展望にどのような影響を与えるか。
• RQ5 フォルトトレラント量子計算へ到達するために、どのようなソフトウェア、検証、エコシステムの開発が必要か。

主な発見

• NISQデバイスは数十量子ビットを有し、ゲートの深さは限られているが、実用的な優位性は限定的であり、現実の問題を解決してはいない。
• 量子優越性は、量子デバイスが古典デバイスを上回るタスクとして位置づけられ、特にサンプリングや分布問題でそうなる。スケーラブルでフォルトトレラントな実装が依然不可欠。
• 複数の量子モデル（ゲートベース、ワンウェイ、アディアバティック、バリエーショナル）とプラットフォーム（固体、原子/イオン、光学）は、スケーラビリティに向けて補完的な道筋を提供する。
• ハードウェアとアルゴリズムの多様性に起因する検証とベンチマークの課題は残り、技術的準備状況とユーザー志向の指標（コスト、速度、タスク範囲）の二柱の評価を必要とする。
• 市場見通しは、国家プログラムの拡大と産業の関心の高まりから前向きだが、実用的な応用での大規模な量子優越性は今後の展開を待つ。
• エラー訂正、ノイズ耐性、トポロジー保護は、NISQからフォルトトレラント量子計算へ進む上で中心的な要素である。