[논문 리뷰] Next Steps in Quantum Computing: Computer Science's Role

Margaret Martonosi, Martin Roetteler|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 25.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 이론적 양자 우월성과 실제 하드웨어 사이의 격차를 메우기 위해 컴퓨터 과학(CS) 연구가 수행해야 할 핵심 역할을 설명한다. 이론적 양자 우월성과 실제 하드웨어 사이의 격차를 메우기 위해 컴퓨터 과학 연구가 수행해야 할 핵심 역할을 설명한다. 이를 위해 프로그래밍 모델, 컴파일러, 검증, 하드웨어-소프트웨어 공동 설계 분야의 발전을 통해 확장 가능하고 검증 가능하며 효율적인 양자 시스템을 개발하기 위한 다학제적 협력을 제안하며, 실현 가능한 시간대내에 유용한 양자 응용을 가능하게 하는 것을 목표로 한다.

ABSTRACT

The computing ecosystem has always had deep impacts on society and technology and profoundly changed our lives in myriads of ways. Despite decades of impressive Moore's Law performance scaling and other growth in the computing ecosystem there are nonetheless still important potential applications of computing that remain out of reach of current or foreseeable conventional computer systems. Specifically, there are computational applications whose complexity scales super-linearly, even exponentially, with the size of their input data such that the computation time or memory requirements for these problems become intractably large to solve for useful data input sizes. Such problems can have memory requirements that exceed what can be built on the most powerful supercomputers, and/or runtimes on the order of tens of years or more. Quantum computing (QC) is viewed by many as a possible future option for tackling these high-complexity or seemingly-intractable problems by complementing classical computing with a fundamentally different compute paradigm. There is a huge gap between the problems for which a quantum computer might be useful and what we can currently build, program, and run. The goal of the QC research community is to close the gap such that useful algorithms can be run in practical amounts of time on reliable real-world QC hardware. In particular, the goal of this Computing Community Consortium (CCC) workshop was to articulate the central role that the computer science (CS) research communities plays in closing this gap. CS researchers bring invaluable expertise in the design of programming languages, in techniques for systems building, scalability and verification, and in architectural approaches that can bring practical QC from the future to the present. This report introduces issues and recommendations across a range of technical and non-technical topic areas.

연구 동기 및 목표

• 양자 컴퓨팅의 이론적 잠재력과 현재의 물리적 양자 하드웨어의 한계 사이의 격차가 점점 커지는 데 대응한다.
• 시스템, 프로그래밍, 검증 연구를 통해 실용적인 양자 컴퓨팅을 가능하게 하는 데서 컴퓨터 과학의 중심적 역할을 규명한다.
• 실제 문제를 해결할 수 있는 확장 가능하고 신뢰성 있으며 효율적인 양자 컴퓨팅 시스템을 개발하기 위해 연구 공동체를 이끌어낸다.
• 결함 내성적이고 실용적인 양자 응용 개발을 가속화하기 위해 컴퓨터 과학과 양자 물리학 공동체 간의 협력을 촉진한다.
• 양자 생태계를 발전시키기 위해 기술적 및 비기술적 영역의 연구 우선순위에 대한 실행 가능한 권고안을 제공한다.

제안 방법

• 컴퓨팅 공동체 협의회(Computing Community Consortium, CCC) 워크숍을 개최하여 컴퓨터 과학 시각에서 볼 때 양자 컴퓨팅의 핵심 과제와 기회를 규명한다.
• 양자 아키텍처에 맞춤형으로 설계된 프로그래밍 언어, 컴파일러, 런타임 시스템과 같은 시스템 수준의 연구에 집중한다.
• 정확성 확보를 위해 형식적 검증 및 신뢰성 기법을 강조한다. 이는 양자 알고리즘 구현의 정확성을 보장하기 위함이다.
• 성능 및 확장성 향상을 위해 하드웨어-소프트웨어 공동 설계 원칙을 통합한다.
• 기존의 고전적 컴퓨터 과학 전문 지식이 양자 시스템 구축 및 최적화에 적용될 수 있도록 추상화 및 도구를 개발한다.
• 기존 컴퓨터 과학 연구 및 교육 프로그램에 양자 컴퓨팅을 통합하기 위한 로드맵을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 컴퓨터 과학 연구는 이론적 양자 우월성과 실질적인 실제 하드웨어에서의 구현 사이의 격차를 어떻게 메울 수 있는가?
• RQ2 신뢰성 있고 확장 가능한 양자 응용을 구축하기 위해 프로그래밍 모델, 컴파일러, 검증 분야에서 어떤 시스템 수준의 혁신이 필요한가?
• RQ3 근접한 미래의 양자 프로세서의 성능, 신뢰성, 사용성 향상을 위해 어떤 아키텍처 및 소프트웨어 기법이 유용한가?
• RQ4 컴퓨터 과학과 양자 물리학 간의 다학제적 협력은 결함 내성적 양자 컴퓨팅 개발을 어떻게 가속화할 수 있는가?
• RQ5 다음 세대 연구자들이 양자 컴퓨팅 과제에 대비하기 위해 어떤 연구 및 교육 이니셔티브가 필수적인가?

주요 결과

• 컴퓨터 과학 연구는 이론적 우월성을 가진 양자 알고리즘과 실제 하드웨어에서의 구현 사이의 격차를 메우는 데 필수적이다.
• 프로그래밍 언어, 컴파일러, 검증 기법의 발전은 양자 소프트웨어의 정확성과 신뢰성을 확보하는 데 핵심적이다.
• 하드웨어-소프트웨어 공동 설계를 포함한 시스템 수준의 혁신은 양자 컴퓨팅 플랫폼의 성능 및 확장성 향상에 필수적이다.
• 이 보고서는 양자 프로그램 개발의 복잡성을 관리하기 위해 형식적 방법 및 검증 분야에 새로운 연구 방향이 필요하다고 명확히 규명한다.
• 결함 내성적이고 실용적인 양자 컴퓨팅을 달성하기 위해 컴퓨터 과학, 양자 물리학, 시스템 공학 분야 간의 협력이 필수적이다.
• 워크숍은 양자 컴퓨팅 생태계를 발전시키기 위한 연구, 교육, 인프라 투자에 대한 실행 가능한 권고안을 도출하였다.