[논문 리뷰] Quantum Computing in the NISQ era and beyond

John Preskill|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 02.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 노이즈가 있는 중간 규모 양자(NISQ) 시대를 양자 컴퓨팅의 핵심 단계로 제시한다. 이는 50~100 큐비트의 장치에서 높은 게이트 오류가 발생하더라도 많은 몸체 양자 물리학을 탐색하고 하이브리드 양자-고전 알고리즘을 테스트할 수 있는 시기이다. 노이즈로 인해 회로 깊이가 제한되지만, NISQ 장치는 복잡한 양자 시스템을 시뮬레이션함으로써 근접한 양자 우월성을 실현할 수 있으며, 이는 노이즈에 강건한 알고리즘과 향상된 게이트 신뢰도에 따라 달라진다. 궁극적으로 이는 고장 내성 양자 컴퓨팅으로 이르는 길을 열어준다.

ABSTRACT

Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) technology will be available in the near future. Quantum computers with 50-100 qubits may be able to perform tasks which surpass the capabilities of today's classical digital computers, but noise in quantum gates will limit the size of quantum circuits that can be executed reliably. NISQ devices will be useful tools for exploring many-body quantum physics, and may have other useful applications, but the 100-qubit quantum computer will not change the world right away --- we should regard it as a significant step toward the more powerful quantum technologies of the future. Quantum technologists should continue to strive for more accurate quantum gates and, eventually, fully fault-tolerant quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 노이즈가 있고 중간 규모인 양자 장치로 특징지어지는 전환 단계로 NISQ 시대를 정의하고 프레임워크를 설정하는 것.
• 특정 양자 시뮬레이션 작업에서 고전 컴퓨터를 능가할 수 있는 NISQ 장치의 근접한 잠재력을 평가하는 것.
• NISQ 하드웨어의 계산 능력을 연장하기 위해 노이즈에 강건한 양자 알고리즘 개발의 중요성을 강조하는 것.
• 확장 가능한 고장 내성 양자 컴퓨팅을 위한 전제 조건으로서 양자 게이트의 정밀도 향상과 오류 수정 기술의 지속적 진전을 주장하는 것.
• 장기적인 비전을 유지하면서도 근접한 영향에 대해 현실적인 기대를 설정하도록 연구자들과 전문가들을 안내하는 것.

제안 방법

• 50~100개의 물리적 큐비트와 높은 게이트 오류율을 특징으로 하는 양자 기술 발전의 별개 단계로 NISQ 시대 개념을 도입하는 것.
• 회로 깊이를 최소화하고 고전 최적화를 활용함으로써 노이즈에 비록 영향을 받더라도 NISQ 장치를 활용할 수 있는 전략으로 하이브리드 양자-고전 알고리즘(예: VQE)을 제안하는 것.
• 양자 시뮬레이션을 주요 적용 분야로 강조하여, 고전 하드웨어에서 얽힌 다체 양자 시스템을 시뮬레이션하는 데 어려움이 있기 때문에 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터를 능가할 수 있음을 설명하는 것.
• 양자 얽힘은 양자 우월성을 가능하게 하는 핵심 자원이며, 정보가 개별 큐비트가 아니라 상관관계를 통해 국소적으로 아닌 비국소적으로 인코딩된다는 점을 주장하는 것.
• 완전한 양자 오류 수정이 없더라도 노이즈에 강건한 알고리즘 설계의 중요성을 강조하여 NISQ 하드웨어의 활용도를 극대화하는 것.
• 근접한 성과와 향후 고장 내성 양자 오류 수정을 위한 핵심 추진력이 되는 바탕이 되기 위해 양자 게이트 정밀도 향상에 대한 지속적 투자를 주장하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 노이즈가 존재하는 상황에서 고전 컴퓨터가 처리할 수 없는 계산 작업은 무엇이며, NISQ 장치는 이를 수행할 수 있는가?
• RQ2 높은 게이트 오류율과 제한된 큐비트 공명 수명 동안에도 효과적으로 기능할 수 있도록 양자 알고리즘을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 하이브리드 양자-고전 알고리즘이 근접한 양자 하드웨어의 유용성을 어떻게 연장하는가?
• RQ4 NISQ 장치는 고전 시뮬레이션으로는 도달할 수 없는 복잡한 양자 다체 시스템을 어느 정도까지 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ5 NISQ에서 고장 내성 양자 컴퓨팅으로 전환하기 위한 주요 이정표와 기술적 요구사항은 무엇인가?

주요 결과

• 50~100 큐비트의 NISQ 장치는 고전 디지털 컴퓨터가 처리할 수 없는 작업을 수행할 수 있으며, 특히 복잡한 양자 시스템을 시뮬레이션하는 데서 그러하다.
• 양자 게이트의 노이즈는 회로의 깊이와 신뢰도를 제한하며, 확장 가능한 양자 우월성을 위해서는 완전한 고장 내성 기술이 필수적이다.
• 양자 컴퓨터는 자연의 모든 물리적 과정을 효율적으로 시뮬레이션하는 데 유일하게 적합하며, 특히 높은 얽힘을 가진 다체 양자 시스템에서 그러하다.
• 고전 자원으로 얽힌 양자 상태를 기술하는 데 드는 복잡도는 지수적으로 증가하므로, 수백 큐비트가 넘는 시스템에 대해서는 고전 시뮬레이션이 비현실적이게 된다.
• 예를 들어 변분 양자 고유값 해법(VQE)와 같은 하이브리드 양자-고전 알고리즘은 회로 깊이를 최소화하고 고전 최적화를 활용함으로써 근접한 양자 우월성으로 이르는 유망한 길을 제시한다.
• 게이트 정밀도 향상은 NISQ 능력을 연장하는 데 중요한 요소일 뿐 아니라, 향후 고장 내성 양자 오류 수정에 필요한 오버헤드를 줄이는 데도 필수적이다.