[논문 리뷰] Comment on "Quantum supremacy using a programmable superconducting processor"

Karl Svozil|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 01.

Quantum chaos and dynamical systems참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 구글의 사이카모어 프로세서가 랜덤 양자 회로 샘플링이라는 특정 작업에 대해 효율적일 수는 있지만, 보편적인 계산 능력을 갖추지 못하기 때문에 양자 우월성의 주장을 도전한다. 이는 고전적 혼돈 시스템이 횡방향 동형선형 궤도를 갖는 경우, 특정 작업에서 고전적·양자 아키텍처를 모두 능가할 수 있으며, 양자 랜덤 수 생성기들이 기존의 추측-튜링 논리에 위배되는 진정한 무작위성을 제공하여 어떤 고전적 또는 양자 흑백 알고리즘으로도 달성할 수 없는 영역에 진입하고 있음을 주장한다.

ABSTRACT

Even if Google AI's Sycamore processor is efficient for the particular task it has been designed for it fails to deliver universal computational capacity. Furthermore, even classical devices implementing transverse homoclinic orbits realize exponential speedups with respect to universal classical as well as quantum computations. Moreover, relative to the validity of quantum mechanics, there already exist quantum oracles which violate the Church-Turing thesis.

연구 동기 및 목표

• 구글의 사이카모어 프로세서가 좁은 계산 작업을 넘어서 진정으로 양자 우월성을 입증했는지 여부를 의심하는 것.
• 고전적 혼돈 시스템, 특히 횡방향 동형선형 궤도를 갖는 시스템이 보편적인 고전적·양자 아키텍처에 비해 특정 계산 작업에서 지수적 속도 향상을 달성할 수 있는지 검토하는 것.
• 양자 랜덤 수 생성기가 기존의 추측-튜링 논리에 위배되는 진정한 무작위성을 제공함으로써 기초적인 이점을 이미 확보하고 있는지 평가하는 것.
• 특정 작업에 대한 계산 효율성과 보편적 계산 능력 사이의 구분을 명확히 하는 것.

제안 방법

• 프로그래밍 가능할 수는 있지만 보편 계산 능력을 갖추지 못한 사이카모어 프로세서의 계산 한계를 분석하며, 특히 그 한계를 강조한다.
• 특히 횡방향 동형선형 궤도를 보이는 고전적 혼돈 시스템을 검토하여 특정 작업에서 지수적 속도 향상을 달성할 수 있는 물리적 시스템으로서의 가능성을 분석한다.
• 양자 역학의 보완성과 연속성에 기반한 양자 랜덤 수 생성기를 분석하여 불가분적 무작위 결과를 생성하는 물리적 실현체로 간주한다.
• 계산 속도와 이론적 한계 측면에서 양자 오라클, 고전적 혼돈 시스템, 보편 튜링 기계의 계산 능력을 비교한다.
• 확장된 추측-튜링 논리를 기준으로 하여 양자 우월성 주장의 타당성을 평가한다.
• 양자역학이 타당하다면, 양자 오라클은 모든 고전적·양자 흑백 알고리즘보다 절대적인 이점을 제공한다

실험 결과

연구 질문

• RQ1 횡방향 동형선형 궤도를 갖는 고전적 혼돈 시스템이 특정 계산 작업에서 보편적인 고전적·양자 컴퓨터를 능가할 수 있는가?
• RQ2 사이카모어 프로세서의 성능이 강력한 형태의 양자 우월성을 나타내는가, 아니면 좁은 문제 범주에 국한된 것인가?
• RQ3 양자 랜덤 수 생성기가 기존의 추측-튜링 논리에 위배되는 진정한 무작위성을 제공함으로써 어떤 고전적 또는 양자 흑백 알고리즘으로도 달성할 수 없는 상태에 도달했는가?
• RQ4 표준 이론적 컴퓨터 과학 정의에 따라 사이카모어 프로세서에 대해 '완전히 프로그래밍 가능한 보편 계산'이라는 주장이 정당한가?
• RQ5 보편 컴퓨터가 아닌 시스템들도 여전히 보편 아키텍처에 비해 지수적 속도 향상을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 사이카모어 프로세서는 랜덤 양자 회로 샘플링에서 효율적일 수는 있지만, 보편 계산이나 NP-완전 문제를 효율적으로 해결할 수는 없다.
• 횡방향 동형선형 궤도를 갖는 고전적 혼돈 시스템은 특정 작업에서 고전적·양자 보편 아키텍처를 모두 능가하는 지수적 속도 향상을 달성할 수 있다.
• 이러한 고전적 혼돈 시스템은 보편 컴퓨터로 간주되지 않지만 여전히 확장된 추측-튜링 논리에 위배되는 계산적 이점을 제공한다.
• 양자 역학의 보완성 및 연속성에 기반한 양자 랜덤 수 생성기는 어떤 고전적 또는 양자 흑백 알고리즘으로도 재현할 수 없는 진정한 무작위성 이점을 제공한다.
• 이러한 양자 오라클의 존재는 확장된 버전을 넘어서 원래의 추측-튜링 논리까지 위반하는 결과를 낳는다.
• 이 논문은 양자 우월성 주장이 과장되어 있으며, 유사하거나 더 큰 이점이 이미 고전적 혼돈 시스템과 상용 양자 랜덤 수 생성기에서 존재하고 있다고 결론 내린다.