[논문 리뷰] Quantum computing at the quantum advantage threshold: a down-to-business review

Aleksey K. Fedorov, N. Gisin외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 31.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 35

한 줄 요약

양자 우위의 문턱에 놓인 양자 컴퓨팅에 대한 넓고 접근 가능한 개요로, 모델, 플랫폼, 응용 분야, 소프트웨어 및 시장 전망을 다룬다.

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.

연구 동기 및 목표

• 모델, 플랫폼, 응용 분야 전반에 걸친 현 상태를 설명한다.
• 양자 장치를 평가하고 실제 작업에 대한 준비 상태를 판단하는 방법을 명확히 한다.
• 결함 허용성 및 오류 수정으로 가는 도전 과제, 벤치마크, 경로를 식별한다.
• 양자 기술을 가속화하는 잠재적 시장 역학과 국가 프로그램을 논의한다.

제안 방법

• 게이트 기반, 단일방향(one-way), 가역적(adiabatic), 변분적(variational) 모델과 비범용 시뮬레이터의 양자 컴퓨팅 모델 전반을 조사하고 종합한다.
• 물리적 플랫폼(고체 상태, 원자/이온, 광학)과 그 아키텍처 옵션을 검토한다.
• 오류 메커니즘, NISQ 장치, 및 위상 보호를 포함한 결함 허용적 접근법을 논의한다.
• 기초 과학, 최적화, 화학, 암호해독, 머신 러닝에 걸친 응용 분야를 개략한다.
• 준비 상태와 잠재력을 평가하기 위한 기술적 벤치마크와 사용자 지향 기준을 결합한 프레임워크를 제안한다.
• 국가 프로그램과 산업 이정표를 포함한 시장 및 정책 맥락을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현실적 우위를 향해 진행 중인 주요 양자 컴퓨팅 모델과 플랫폼은 무엇인가?
• RQ2 다양한 아키텍처와 오류 모드를 가진 양자 장치를 어떻게 벤치마크하고 비교할 수 있는가?
• RQ3 양자 우위를 입증할 수 있는 가장 유망한 실용적 응용은 무엇이며 필요한 기술적 이정표는 무엇인가?
• RQ4 국가 프로그램과 시장 역학이 양자 컴퓨팅 산업으로의 궤적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 결함 허용 양자 컴퓨팅에 도달하기 위해 필요한 소프트웨어, 검증 및 생태계 개발은 무엇인가?

주요 결과

• 수십 개의 큐비트를 가진 NISQ 장치가 존재하고 게이트 깊이가 제한되어 있으며 실용적 이점은 제한적이지만 아직 현실 세계의 문제를 해결하지는 못한다.
• 양자 우위는 양자 장치가 고전적 장치를 능가하는 작업으로 정의되며, 특히 샘플링 및 분포 문제에서 그렇다; 확장 가능하고 결함 허용적 구현은 여전히 필수적이다.
• 다양한 양자 모델(게이트 기반, 단일방향, 가역적, 변분)과 플랫폼(고체 상태, 원자/이온, 광학)이 확장성을 위한 보완적 경로를 제공한다.
• 하드웨어와 알고리즘의 다양성으로 검증 및 벤치마킹의 도전이 지속되며, 기술적 준비성과 사용자 지향 기준(비용, 속도, 작업 범위)의 이중 평가가 필요하다.
• 시장 전망은 국가 프로그램 및 산업 관심이 증가하며 긍정적이지만, 실용적 응용에서의 광범위한 양자 우위는 향후 개발을 기다리고 있다.
• 오류 수정, 노이즈 저항성, 및 토폴로지적 보호는 NISQ에서 결함 허용 양자 컴퓨팅으로의 진행에 중심이 된다.