[논문 리뷰] Quantum-Computation and Applications

Bhupesh Bishnoi|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 04.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 양자 계산의 기초 원리와 실용적 응용을 탐구하며, 무어의 법칙 이후의 등장과 원자, 광자, 초전도체 등 다양한 시스템에서 큐비트의 물리적 실현을 강조한다. 고전적 계산과의 알고리즘적 차이, 공학적 과제, 그리고 IBM 양자 경험을 통한 실세계 구현을 통해 초기 단계의 양자 우월성 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

In this research notebook on quantum computation and applications for quantum engineers, researchers, and scientists, we will discuss and summarized the core principles and practical application areas of quantum computation. We first discuss the historical prospect from which quantum computing emerged from the early days of computing before the dominance of modern microprocessors. And the re-emergence of that quest with the sunset of Moore's law in the current decade. The mapping of computation onto the behavior of physical systems is a historical challenge vividly illustrate by considering how quantum bits may be realized with a wide variety of physical systems, spanning from atoms to photons, using semiconductors and superconductors. The computing algorithms also change with the underline variety of physical systems and the possibility of encoding the information in the quantum systems compared to the ordinary classical computers because of these new abilities afforded by quantum systems. We will also consider the emerging engineering, science, technology, business, and social implications of these advancements. We will describe a substantial difference between quantum and classical computation paradigm. After we will discuss and understand engineering challenges currently faced by developers of the real quantum computation system. We will evaluate the essential technology required for quantum computers to be able to function correctly. Later on, discuss the potential business application, which can be touch by these new computation capabilities. We utilize the IBM Quantum Experience to run the real-world problem, although on a small scale.

연구 동기 및 목표

• 고전적 계산에서 시작해 무어의 법칙 이후 시대에 이르기까지 양자 계산의 역사를 검토하기 위해.
• 원자, 광자, 반도체, 초전도체와 같은 다양한 물리적 시스템에 양자 계산이 어떻게 대응되는지 분석하기 위해.
• 정보 인코딩과 처리 방식의 차이에 초점을 맞춰 양자 계산과 고전적 계산 패러다임을 대조하기 위해.
• 기능적인 양자 계산 시스템을 구축하는 데 있어 핵심적인 공학적 과제를 특정하고 평가하기 위해.
• 발전 중인 양자 계산 능력이 가능하게 하는 잠재적 비즈니스 및 사회적 응용을 조사하기 위해.

제안 방법

• 고전적 계산의 근원과 무어의 법칙의 종말에 따라 재부상한 양자 계산의 역사를 조사하기 위해.
• 간pres된 이온, 광자 시스템, 초전도 회로를 포함한 다양한 물리적 시스템에 양자 계산을 매핑하기 위해.
• 기초 물리적 큐비트 실현 방식에 의존하는 양자 알고리즘을 분석하기 위해.
• 실제 양자 시스템에서 오류 완화, 공명 유지, 게이트 정밀도를 위한 기술적 요구사항 평가하기 위해.
• 소규모 실세계 양자 계산을 실행하고 시연하기 위해 IBM 양자 경험 플랫폼을 활용하기 위해.
• 확장 가능한 양자 계산의 공학적, 과학적, 사회경제적 영향을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무어의 법칙의 한계가 양자 계산에 대한 재부상된 관심을 어떻게 촉진했는가?
• RQ2 큐비트를 실현할 수 있는 물리적 시스템은 무엇이며, 그것이 양자 알고리즘 설계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 정보 인코딩과 처리 방식에서 양자 계산과 고전적 계산 패러다임은 어떤 점에서 근본적으로 다를가?
• RQ4 결함 내성적이고 확장 가능한 양자 계산 시스템을 개발하는 데 있어 주요 공학적 과제는 무엇인가?
• RQ5 현재 단계의 양자 계산 능력이 가능하게 하는 실세계 비즈니스 응용은 무엇인가?

주요 결과

• 무어의 법칙의 물리적 및 경제적 한계 이후로 양자 계산은 재활성화된 핵심 연구 영역이 되었다.
• 큐비트는 원자, 광자, 반도체, 초전도 회로 등 다양한 시스템에서 물리적으로 실현될 수 있다.
• 양자 계산 패러다임은 슈퍼포지션과 얽힘을 통해 고전적 시스템과 근본적으로 다른 정보 처리 방식을 가능하게 한다.
• 공명 유지, 오류 최소화, 안정적인 큐비트 시스템 확장에 있어 여전히 중요한 공학적 과제가 남아 있다.
• IBM 양자 경험 플랫폼을 통해 소규모 실세계 문제들이 성공적으로 실행되어 초기 실용 가능성의 증거를 보여주었다.
• 새로운 응용 분야는 공학, 과학, 비즈니스, 사회 분야를 아우르며 광범위한 전환 잠재력을 시사한다.