[논문 리뷰] The Fraunhofer Quantum Computing Portal - www.qc.fraunhofer.de - A web-based Simulator of Quantum Computing Processes

Helge Rosé, Torsten Aßelmeyer-Maluga외 3명|ArXiv.org|2004. 06. 14.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

Fraunhofer 양자계산 포털은 고메모리 리눅스 클러스터와 Myrinet 간접연결을 활용하여 웹 기반의 공동 작업이 가능한 양자 시뮬레이터를 제공한다. 이 시스템은 최대 31 큐비트까지 정확한 양자 회로 시뮬레이션과, 트로터 공식을 사용한 최대 31 큐비트까지의 해밀토니안 근사 시뮬레이션을 가능하게 한다. 모듈식이고 확장 가능한 아키텍처를 통해 QML 기반의 회로 표현을 지원하여 표준 게이트, 양자 푸리에 변환, 오차 모델링을 시뮬레이션할 수 있으며, 연구 공동체 간에 양자 알고리즘과 결과를 공유하고 논의할 수 있는 공동 작업 환경을 통합한다.

ABSTRACT

Fraunhofer FIRST develops a computing service and collaborative workspace providing a convenient tool for simulation and investigation of quantum algorithms. To broaden the twenty qubit limit of workstation-based simulations to the next qubit decade we provide a dedicated high memorized Linux cluster with fast Myrinet interconnection network together with a adapted parallel simulator engine. This simulation service supplemented by a collaborative workspace is usable everywhere via web interface and integrates both hardware and software as collaboration and investigation platform for the quantum community. The beta test version realizes all common one, two and three qubit gates, arbitrary one and two bit gates, orthogonal measurements as well as special gates like Oracle, Modulo function, Quantum Fourier Transformation and arbitrary Spin-Hamiltonians up to 31 qubits. For a restricted gate set it feasible to investigate circuits with up to sixty qubits. URL: http://www.qc.fraunhofer.de

연구 동기 및 목표

• 표준 워크스테이션 기반의 양자 시뮬레이션 한계를 극복하기 위해 전용 고메모리 클러스터를 통해 더 큰 양자 시스템의 확장 가능한 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 로컬 고성능 하드웨어가 필요 없이도 보편적으로 접근 가능한 웹 기반 플랫폼을 제공하여 양자 알고리즘 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 이deal과 실제 양자 장치 간의 차이를 연구하기 위해 디코herence와 오차를 통제적으로 모델링할 수 있도록 하기 위해.
• 시뮬레이션, 문서, 결과 공유를 지원하는 통합 콘텐츠 관리 시스템을 통해 연구 공동체 간 협업을 촉진하기 위해.
• 표준화된 QML 인터페이스를 통해 외부 시뮬레이터 통합을 지원함으로써 공동체 기반의 확장 가능한 인프라를 조성하여 양자 알고리즘 개발을 촉진하기 위해.

제안 방법

• 표준 워크스테이션의 20 큐비트 한계를 초월하는 메모리 집약적인 양자 시뮬레이션을 처리하기 위해 56GB RAM 리눅스 클러스터와 고속 Myrinet 간접연결을 구축한 것.
• 클러스터에서 실행되며 브라우저 기반 애플릿을 통해 접근 가능한 병렬 처리 웹 기반 시뮬레이터 엔진을 구현하여 로컬 하드웨어 요구사항을 추상화한 것.
• 최대 31 큐비트까지의 해밀토니안 시뮬레이션에 정확한 대각화를 사용하고, 더 큰 해밀토니안은 트로터 공식을 통해 근사하는 것.
• 일, 이, 삼 큼표 큐비트 게이트, 오라클, 모듈로 산술, 양자 푸리에 변환 등 다양한 게이트 세트를 지원하는 모듈식 시뮬레이터 엔진을 개발한 것.
• 양자 회로 정의와 교환을 위한 QML(양자 마크업 언어) 형식을 도입하여 재사용성과 계층적 회로 설계를 가능하게 한 것.
• 문서 공유, 토론, 버전 관리, 시뮬레이션 결과 게시를 지원하는 Plone/Zope 콘텐츠 관리 시스템을 기반으로 한 공동 작업 환경을 구축한 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 워크스테이션의 20 큐비트 한계를 초월하면서도 사용성과 접근성을 유지하면서 양자 회로 시뮬레이션을 어떻게 확장할 수 있는가?
• RQ2 웹 기반 양자 시뮬레이터가 고성능 시뮬레이션과 공동 연구를 동시에 지원하기 위해 어떤 아키텍처적 및 소프트웨어 설계 원칙이 필요한가?
• RQ3 양자 시뮬레이터는 비이상적 효과인 디코herence와 노이즈를 어떻게 효과적으로 모델링하여 이론적 및 실험적 양자계산 간 격차를 메울 수 있는가?
• RQ4 표준화되고 확장 가능한 데이터 포맷인 QML이 공동체 기반의 양자 알고리즘 개발 및 공유를 어떻게 지원할 수 있는가?
• RQ5 다양한 시뮬레이션 엔진을 통합하고 연구 그룹 간 협업을 촉진하기 위해 중앙집중식 고성능 시뮬레이션 서비스는 어떻게 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 포털은 최대 31 큐비트까지 정확한 양자 회로 시뮬레이션과 정확한 대각화를 사용한 최대 31 큐비트까지의 해밀토니안 시뮬레이션을 가능하게 하며, 더 큰 해밀토니안은 트로터 공식을 통해 근사한다.
• 텐서 합 구현을 통해 제한된 게이트 세트에 대해 최대 60 큐비트의 회로 시뮬레이션을 가능하게 하여 기존 31 큐비트 한계를 초월한 고전적 시뮬레이션의 범위를 확장한다.
• 6 큐비트 x-레지스터와 3 큐비트 y-레지스터를 사용하여 전체 9 큐비트 쇼어 알고리즘을 성공적으로 에뮬레이션하였으며, 상태 진동, 위상 변화, 엔트로피 증가를 시각화하였다.
• 31 큐비트 쇼어 알고리즘의 시뮬레이션은 더 작은 버전과 동일한 정성적 행동을 보였으며, 첫 번째 단계 이후 엔트로피가 증가하고 양자 푸리에 변환 기간 동안 감소하여 최종적으로 하나의 지배적 상태로 수렴하였다.
• Plone/Zope 기반 공동 작업 환경과 QML을 표준 형식으로 사용함으로써 보안적이고 버전 관리 가능한 양자 회로, 결과, 문서 공유가 가능해졌다.
• 모듈식이고 확장 가능한 설계 덕분에 QML 파서를 통한 외부 시뮬레이터 통합이 가능하여, 다양한 연구 그룹이 기여하고 포털의 기능을 확장할 수 있는 연합형 모델을 실현하였다.