[논문 리뷰] SpinQ Gemini: a desktop quantum computer for education and research

Shi‐Yao Hou, Guanru Feng외 14명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 25.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 72인용 수 5

한 줄 요약

SpinQ Gemini는 영구 자석을 사용하여 냉각이 필요 없는 실온에서 작동하는 핵자기공명(NMR) 기반의 저비용 데스크톱 양자 컴퓨터로, 접근하기 쉬운 양자 컴퓨팅 교육 및 연구를 가능하게 한다. SpinQuasar 소프트웨어를 통해 실제 장치 프로그래밍을 지원하며, 오차 보정 기법을 적용한 변분 양자 고유값 해법(VQE)을 이용해 이중 큐비트 헤이젠베르크 모델의 기초 상태 에너지를 매우 정확하게 도출하여, 전통적인 양자 하드웨어 비용의 일부에 불과한 비용으로도 실습 기반 학습과 양자 제어 연구에 유용함을 입증한다.

ABSTRACT

SpinQ Gemini is a commercial desktop quantum computer designed and manufactured by SpinQ Technology. It is an integrated hardware-software system. The first generation product with two qubits was launched in January 2020. The hardware is based on NMR spectrometer, with permanent magnets providing $\sim 1$ T magnetic field. SpinQ Gemini operates under room temperature ($0$-$30^{\circ}$C), highlighting its lightweight (55 kg with a volume of $70 imes 40 imes 80$ cm$^3$), cost-effective (under $50$k USD), and maintenance-free. SpinQ Gemini aims to provide real-device experience for quantum computing education for K-12 and at the college level. It also features quantum control design capabilities that benefit the researchers studying quantum control and quantum noise. Since its first launch, SpinQ Gemini has been shipped to institutions in Canada, Taiwan and Mainland China. This paper introduces the system of design of SpinQ Gemini, from hardware to software. We also demonstrate examples for performing quantum computing tasks on SpinQ Gemini, including one task for a variational quantum eigensolver of a two-qubit Heisenberg model. The next generations of SpinQ quantum computing devices will adopt models of more qubits, advanced control functions for researchers with comparable cost, as well as simplified models for much lower cost (under $5$k USD) for K-12 education. We believe that low-cost portable quantum computer products will facilitate hands-on experience for teaching quantum computing at all levels, well-prepare younger generations of students and researchers for the future of quantum technologies.

연구 동기 및 목표

• K-12 및 대학 수준의 교육을 위해 접근하기 쉬우며, 저비용이고 유지보수가 불필요한 양자 컴퓨팅 플랫폼을 개발하기 위해.
• 연구자들이 실제 장치를 활용해 양자 제어, 노이즈 분석, 오차 보정 연구를 수행할 수 있도록 하기 위해.
• 크고 비싼 초전도체 기반의 냉각 시스템에 의존하는 기존 양자 시스템의 한계를 극복하고 실온에서 이동 가능한 양자 컴퓨팅을 가능하게 하기 위해.
• 펄스 수준 제어를 통한 고급 연구와 저비용 모델을 통한 단순화된 교육을 동시에 지원하기 위해.
• 저비용, 확장 가능하고 사용자 友好的한 데스크톱 하드웨어-소프트웨어 통합을 통해 양자 컴퓨팅에 대한 접근성을 민주화하기 위해.

제안 방법

• 하드웨어는 초전도체 자석을 대체하기 위해 영구 자석을 사용해 약 1 T의 자기장을 생성하며, 냉각이 필요 없는 구조를 구현한다.
• 시스템은 상용 NMR 스펙트로미터 플랫폼을 기반으로 하며, 맞춤형 RF 펄스 시퀀스와 제어 전자회로를 추가해 양자 컴퓨팅에 적합하게 개조되었다.
• 소프트웨어 인터페이스인 SpinQuasar는 회로 설계, 양자 알고리즘 실행, 양자 상태 및 측정 결과의 실시간 시각화를 가능하게 한다.
• 변분 양자 고유값 해법(VQE)은 파arametric 양자 회로를 사용해 이중 큐비트 헤이젠베르크 해밀토니안에 대해 구현되었다.
• 위상 소실 및 CNOT 게이트 오차의 영향을 역전시키기 위해 초연성 연산자 형식을 적용한 오차 보정 기법이 도입되어 실험 결과의 정밀도가 향상되었다.
• 노이즈는 크라우스 연산자 표현을 사용해 모델링되었으며, 시뮬레이션된 출력과 실험 결과를 비교함으로써 노이즈 모델의 정확성이 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 영구 자석을 사용한 데스크톱 NMR 기반 양자 컴퓨터는 교육 및 연구를 위한 대규모 냉각 시스템에 비해 실용적이고 저비용 대안이 될 수 있는가?
• RQ2 이중 큐비트 NMR 양자 컴퓨터에서 실제 장치를 사용한 VQE 실험은 얼마나 정확하게 수행될 수 있으며, 기초 상태 에너지에 얼마나 잘 수렴하는가?
• RQ3 초연성 연산자 형식에 기반한 오차 보정 기법은 노이즈가 있는 실제 장치 플랫폼에서 양자 회로 결과의 정밀도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 5,000달러 이하의 저비용 단순화된 버전의 장치는 핵심 학습 목표를 훼손하지 않으면서도 K-12 교육에 효과적으로 활용될 수 있는가?
• RQ5 접근성, 사용성, 실험 제어 측면에서 SpinQ Gemini 시스템의 성능 특성은 클라우드 기반 양자 플랫폼과 비교해 어떻게 다를까?

주요 결과

• SpinQ Gemini 시스템은 이중 큐비트 헤이젠베르크 모델에 대해 VQE를 성공적으로 구현하여 기초 상태 에너지를 약 -2.98로 도출하였으며, 이는 이상적인 값과 매우 가까운 결과이다.
• 노이즈가 있는 회로 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 밀도 있게 일치하여, 본 연구에서 사용된 위상 소실 오차 모델의 정확성이 검증되었다.
• 초연성 연산자 형식을 통한 오차 보정은 VQE 결과의 정밀도를 크게 향상시켜 측정된 에너지를 이상적인 기초 상태 에너지에 더욱 가깝게 만들었다.
• 시스템은 영구 자석을 사용한 NMR 기반 양자 컴퓨터가 실온에서 안정적으로 작동하며 유지보수가 최소화되고 공간 점유율이 작다는 점을 입증하였다.
• 장치는 캐나다, 대만, 중국 본토의 여러 기관에 배포되어 실제 교육 및 연구 응용의 실용성을 확인하였다.
• 향후 개발 로드맵으로는 고급 제어 기능을 갖춘 3~4 큐비트 모델과 5,000달러 이하의 교육용 모델 개발이 포함되어 있으며, 교육 수준 전반의 접근성 향상에 기여할 전망이다.