[논문 리뷰] Forecasting timelines of quantum computing

Jaime Sevilla, Christian Riedel|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 10.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 45인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 고장 내성 양자 계산의 진전을 예측하기 위해 물리적 큐비트 수와 이중 큐비트 게이트 오류율을 통합한 통합 측도인 일반화된 논리 큐비트(Genaralized Logical Qubit, GLQ)를 제안한다. 초전도 큐비트 기반 양자 컴퓨터(2007–2020)에 대해 로그-선형 회귀를 적용하여, 지속적인 기하급수적 진전을 가정할 경우 2026년 이전에 실용적 고장 내성 양자 계산이 이루어질 가능성은 5% 미만이며, 2039년 이전에 RSA-2048을 인수분해할 수 있을 가능성 역시 5% 미만으로 추정한다.

ABSTRACT

We consider how to forecast progress in the domain of quantum computing. For this purpose we collect a dataset of quantum computer systems to date, scored on their physical qubits and gate error rate, and we define an index combining both metrics, the generalized logical qubit. We study the relationship between physical qubits and gate error rate, and tentatively conclude that they are positively correlated (albeit with some room for doubt), indicating a frontier of development that trades-off between them. We also apply a log-linear regression on the metrics to provide a tentative upper bound on how much progress can be expected over time. Within the (generally optimistic) assumptions of our model, including the key assumption that exponential progress in qubit count and gate fidelity will continue, we estimate that that proof-of-concept fault-tolerant computation based on superconductor technology is unlikely (<5% confidence) to be exhibited before 2026, and that quantum devices capable of factoring RSA-2048 are unlikely (<5% confidence) to exist before 2039. It is of course possible that these milestones will in fact be reached earlier, but that this would require faster progress than has yet been seen.

연구 동기 및 목표

• 대규모 고장 내성 양자 계산에 도달하기 위한 진전을 추적하기 위한 통합 측도 개발
• 실용적 고장 내성 양자 계산을 달성하는 데 소요될 시기 예측
• 양자 컴퓨터가 RSA-2048 암호를 해독할 수 있게 되는 데 걸리는 시기 추정
• 기존 데이터 기반 외삽 예측 모델의 탄력성과 한계 평가

제안 방법

• 일반화된 논리 큐비트(GLQ) 측도는 물리적 큐비트 수와 이중 큐비트 게이트 오류율을 하나의 성능 지표로 통합하여 진전 추적에 활용한다.
• 33개의 초전도 큐비트 기반 양자 컴퓨터(2007–2020)의 역사적 데이터를 바탕으로 다변량 로그-선형 회귀 모델을 적용하여 큐비트 수와 오류율 간의 관계를 모델링한다.
• 큐비트 수와 게이트 정밀도에서 지속적인 기하급수적 진전이 이루어질 것이라는 가정 하에 향후 성능을 예측하고, 가능한 진전의 상한선을 설정한다.
• 다양한 데이터 기간(예: 2007–2018, 2015–2020)을 사용하여 외삽을 수행함으로써 모델의 탄력성과 데이터 선택에 대한 민감도를 테스트한다.
• 모델은 1 GLQ(확장 가능한 계산) 도달 및 4100 GLQ(_RESERVED_2048_ 인수분해 능력) 도달을 주요 목표로 설정한다.
• 예측값을 실제 값과 비교하여 검증하며, 신뢰구간은 5번째, 50번째, 95번째 백분위수를 사용해 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 큐비트 기반 양자 컴퓨터를 활용할 경우 실용적 고장 내성 양자 계산이 언제 이루어질 것으로 예상되는가?
• RQ2 양자 컴퓨터가 현대의 공개키 암호를 해독할 수 있을 정도로 RSA-2048을 인수분해할 가능성이 언제 발생할 것인가?
• RQ3 현재의 양자 하드웨어에서 물리적 큐비트 수와 이중 큐비트 게이트 오류율은 시간이 지남에 따라 어떻게 상관관계를 가지는가?
• RQ4 기존 데이터 기반 외삽 예측 모델이 향후 진전에 대한 신뢰할 수 있는 상한선을 제공할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 데이터 선택 및 모델링 가정의 변화에 따라 모델 예측은 얼마나 탄력적인가?

주요 결과

• 일반화된 논리 큐비트(GLQ) 측도는 물리적 큐비트 수와 게이트 오류율을 하나의 해석 가능한 성능 지표로 통합하여 고장 내성 양자 계산 향한 진전 추적에 성공적으로 활용된다.
• 물리적 큐비트 수와 게이트 오류율 사이에 정적 상관관계가 관찰되어, 큐비트 수를 늘리는 것과 오류율을 낮추는 것 사이의 상충 관계를 반영하는 개발 선경이 존재함을 시사한다.
• 지속적인 기하급수적 진전을 가정할 경우, 2026년 이전에 실용적 고장 내성 양자 계산이 달성될 가능성은 5% 미만이다.
• 마찬가지로, 2039년 이전에 양자 컴퓨터가 RSA-2048을 인수분해할 수 있을 가능성 역시 5% 미만이다.
• 모델의 탄력성 검증 결과, 다양한 데이터 기간과 모델링 선택에 대해 예측 결과가 일관되게 유지되나, 단기간 데이터 창에서는 신뢰구간이 넓어지는 경향을 보였다.
• 실제 데이터와의 비교를 통해 모델 예측을 검증한 결과, 대부분의 경우 진짜 값이 90% 예측 구간 내에 포함되었지만, 초기 예측은 높은 불확실성으로 인해 일부 범위를 벗어나는 경우가 있었다.