[논문 리뷰] The Argument against Quantum Computers, the Quantum Laws of Nature, and Google's Supremacy Claims

Gil Kalai|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 12.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 38인용 수 4

한 줄 요약

길 칼라이는 양자 컴퓨터의 실현 가능성에 반대하는 계산 복잡도 논거를 제시한다. 이 논거에 따르면 노이즈가 있는 중간 규모 양자(NISQ) 장치는 본질적으로 낮은 수준의 복잡도 클래스(LDP)에 국한되며, 이는 양자 오류 수정과 양자 우월성의 불가능성을 암시한다. 이 논거는 노이즈 민감도와 현실적인 오류 조건 하에서 강력한 양자 우월성을 확보할 수 없다는 데에 기반한다.

ABSTRACT

My 2018 lecture at the ICA workshop in Singapore dealt with quantum computation as a meeting point of the laws of computation and the laws of quantum mechanics. We described a computational complexity argument against the feasibility of quantum computers: we identified a very low-level complexity class of probability distributions described by noisy intermediate-scale quantum computers, and explained why it would allow neither good-quality quantum error-correction nor a demonstration of "quantum supremacy," namely, the ability of quantum computers to make computations that are impossible or extremely hard for classical computers. We went on to describe general predictions arising from the argument and proposed general laws that manifest the failure of quantum computers. In October 2019, "Nature" published a paper describing an experimental work that took place at Google. The paper claims to demonstrate quantum (computational) supremacy on a 53-qubit quantum computer, thus clearly challenging my theory. In this paper, I will explain and discuss my work in the perspective of Google's supremacy claims.

연구 동기 및 목표

• 노이즈가 있는 양자 시스템에서의 기본적인 계산 및 물리적 제약을 규명하여 확장 가능한 양자 계산의 실현 가능성에 도전하는 것.
• 실제 노이즈 모델 조건 하에서도 양자 오류 수정과 양자 우월성이 불가능하다는 주장을 펼치는 것, 특히 NISQ 장치에 대해서도 적용된다.
• 노이즈 민감도와 강성(rigidity)에 뿌리를 두고 있는 새로운 물리 법칙을 제안하여 양자 계산의 실패를 설명하는 것.
• 통계적 및 복잡도 이론적 추론을 활용해 구글의 2019년 양자 우월성 주장에 대한 비판적 평가를 수행하는 것.
• 이러한 실패의 결과가 양자 시뮬레이션, 고전적 시뮬레이션, 그리고 양자역학에 대한 보다 넓은 이해에 어떤 영향을 미치는지 탐구하는 것.

제안 방법

• 노이즈가 있는 중간 규모 양자(NISQ) 컴퓨터의 계산 능력을 묘사하는 낮은 수준의 복잡도 클래스(LDP)를 규명한다.
• 노이즈 민감도와 안정성 이론을 적용하여, 일정하거나 상수 이하의 오류율을 갖는 양자 회로가 혼란스러운 행동을 보이며 신뢰할 수 있는 계산을 방해함을 보여준다.
• 칼라이와 키니다의 2014년 연구에서 제안한 보존 샘플링 및 상관 분석 프레임워크를 활용해, 통계적 테스트에서 고전적 샘플링이 양자 분포를 모방할 수 있음을 입증한다.
• 계산 복잡도 이론을 적용하여 샘플링이 확률 계산보다 더 쉬우며, 이는 샘플링 작업에 기반한 양자 우월성 주장의 기초를 흔들어 놓는다.
• 구글의 53 큐비트 실험을 통계적 분석을 통해 평가하여, 주장된 양자 우월성이 엄격한 분석 조건에서 성립하지 않음을 주장한다.
• 계산 불가능성과 물리 법칙을 연결하는 일반 원칙인 '강성(rigidity)'을 제안하며, 양자 시스템이 일관되고 확장 가능한 계산을 유지할 수 없다고 주장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 노이즈 비율이 NISQ 장치에 존재할 경우, 양자 오류 수정이 가능할 수 있는가?
• RQ2 노이즈와 오류 전파의 제약 조건 하에서 어떤 계산 작업에서도 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터를 능가할 수 있는가?
• RQ3 구글의 실험에서 사용된 통계적 테스트가 진정으로 양자 우월성을 입증하는가, 아니면 고전적 시스템이 저차수 상관관계를 통해 동일한 결과를 재현할 수 있는가?
• RQ4 양자 계산의 실패를 규명하는 데 어떤 물리 법칙이 작용하는가? 이는 노이즈 민감도와 계산 복잡도와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ5 양자 우월성의 실패는 양자 시스템의 일반 원칙인 '강성'으로 설명될 수 있으며, 이는 양자 시뮬레이션과 고전적 모델링에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 노이즈가 있는 중간 규모 양자(NISQ) 컴퓨터는 본질적으로 복잡도 클래스 LDP에 국한되며, 이는 다항 시간 학습 가능성을 허용하고 강력한 양자 우월성을 지지하지 않는다.
• 노이즈 민감도로 인해 일정하거나 상수 이하의 오류율 조건 하에서는 양자 오류 수정이 실현 불가능하며, 이는 고장 내성 양자 계산의 기초를 흔들어 놓는다.
• 구글의 2019년 53 큐비트 장치에서의 양자 우월성 주장은 신뢰할 수 없다. 통계적 증거는 저차수 상관관계를 통해 고전적 시스템에 의해 재현 가능하기 때문이다.
• 2020년 과학지에 실린 광자 기반 양자 우월성 주장 역시 유사하게 결함이 있으며, 통계적 추론이 잘못되었고 칼라이의 양자 우월성 반대 일반 논거와 일치한다.
• 고전적 샘플링 알고리즘은 동일한 통계적 테스트에서 양자 분포를 모방할 수 있으며, 이는 샘플링 자체가 계산적으로 비가역성을 암시하지는 않음을 보여준다.
• 양자 우월성의 실패는 공학적 제약 때문이 아니라 깊이 있는 계산 및 물리 원칙—특히 노이즈 민감도와 양자 시스템의 강성—에 기인한다.