[논문 리뷰] Where are we heading with NISQ?

Olivier Ezratty|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 16.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 노이지 중간 규모 양자(Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ) 계산의 현재 상태를 비판적으로 평가하며, 실용적인 NISQ 응용 구현을 저해하는 하드웨어 및 알고리즘적 제약을 분석한다. 비록 큐비트 편향성과 오류 보정 기술의 발전이 있었지만, NISQ가 고장 내성 양자 계산(Fault-Tolerant Quantum Computing, FTQC)으로 향하는 진정한 다리가 되기 어려울 수 있으며, 큐비트 수와 편향성 간의 상충되는 설계적 선택 사항으로 인해 NISQ와 FTQC 시스템은 서로 다른 발전 경로를 따를 수 있음을 주장한다.

ABSTRACT

In 2017, John Preskill defined Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) computers as an intermediate step on the road to large scale error corrected fault-tolerant quantum computers (FTQC). The NISQ regime corresponds to noisy qubit quantum computers with the potential to solve actual problems of some commercial value faster than conventional supercomputers, or consuming less energy. Over five years on, it is a good time to review the situation. While rapid progress is being made with quantum hardware and algorithms, and many recent experimental demonstrations, no one has yet successfully implemented a use case matching the original definition of the NISQ regime. This paper investigates the space, fidelity and time resources of various NISQ algorithms and highlights several contradictions between NISQ requirements and actual as well as future quantum hardware capabilities. It then covers various techniques which could help like qubit fidelities improvements, various breeds of quantum error mitigation methods, analog/digital hybridization, using specific qubit types like multimode photons as well as quantum annealers and analog quantum computers (aka quantum simulators or programmable Hamiltonian simulators) which seem closer to delivering useful applications although they have their own mid to longer-term scalability challenges. Given all the constraints of these various solutions, it seems possible to expect some practical use cases for NISQ systems, but with a very narrow window before various scaling issues show up. Turning to the future, a scenario can be envisioned where NISQ will not necessarily be an intermediate step on the road to FTQC. Instead, the two may develop along different paths, due to their different requirements. This leaves open a key question on the trade-offs that may be necessary to make between qubit scale and qubit fidelities in future quantum computers designs.

연구 동기 및 목표

• 근접한 양자 우월성을 달성하기 위해 고전적으로 해결하기 어려운 문제를 해결할 수 있는가를 평가하기 위해 NISQ 컴퓨터가 원래 약속한 바를 이행할 수 있는지 확인하는 것.
• 공간, 정밀도, 시간 자원 측면에서 NISQ 알고리즘 요구사항과 현재 및 향후 양자 하드웨어 능력 간의 모순을 특정하는 것.
• 양자 오류 보정, 하이브리드 아날로그-디지털 아키텍처, 다모드 광자 및 양자 분산기와 같은 대체 큐비트 플랫폼과 같은 새로운 기술을 평가하는 것.
• 큐비트 수와 정밀도 간의 상충되는 설계 제약으로 인해 NISQ가 고장 내성 양자 계산(FTQC)과 별개의 경로를 따라 발전할 수 있는지 탐색하는 것.
• 향후 양자 컴퓨터 아키텍처에서 스케일링과 성능을 균형 잡기 위해 큐비트 수와 큐비트 정밀도 사이의 교환 조건을 분석하는 것.

제안 방법

• 논문은 공간(큐비트 수), 정밀도(게이트 및 측정 오류), 시간(회로 깊이 및 코herence)에 중점을 두어 NISQ 알고리즘의 자원 요구사항을 종합적으로 검토한다.
• 영역 없는 외삽, 대칭성 검증, 확률적 오류 보정과 같은 다양한 오류 보정 기법을 평가하며, 그 확장성과 실용성을 분석한다.
• 양자-고전 하이브리드 알고리즘인 양자 근사 최적화 알고리즘(QAOA)을 분석하여 노이즈와 회로 깊이에 대한 민감도를 강조한다.
• 초전도 큐비트, 포획 이온, 광학 시스템, 양자 분산기 등 다양한 양자 하드웨어 플랫폼을 비교하며, 근접한 응용에 대한 적합성을 평가한다.
• 물리적 제약을 초월한 효과적인 큐비트 수를 늘리는 데 사용할 수 있는 회로 분할 기법(circuit knitting)을 도입하고 논의한다.
• Quantinuum와 Fujitsu와 같은 기업에서 제안한 중간 단계 목표를 검토하며, NISQ와 FTQC 사이의 잠재적 전이 경로를 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 NISQ 하드웨어는 고전적 슈퍼컴퓨터보다 더 빠르게 실용적 문제를 해결하기 위해 필요한 정밀도와 큐비트 수를 확보할 수 있는가?
• RQ2 기존 및 향후 양자 프로세서의 능력과 NISQ 알고리즘 자원 요구사항 사이의 근본적인 불일치는 무엇인가?
• RQ3 오류 보정 기법이 NISQ의 한계와 실용적 양자 우월성 사이의 격차를 어느 정도 메울 수 있는가?
• RQ4 NISQ는 실제로 고장 내성 양자 계산으로 향하는 중간 단계인가, 아니면 별개의 계산 패러다임으로 발전할 수 있는가?
• RQ5 향후 양자 컴퓨터 설계에서 스케일링과 성능을 균형 잡기 위해 큐비트 수와 정밀도 사이에 어떤 교환 조건이 필요한가?

주요 결과

• 아직도 원래 NISQ 정의에 부합하는 사용 사례, 즉 고전적으로 해결하기 어려운 문제를 고전적 슈퍼컴퓨터보다 더 빠르게 해결하는 데 성공한 실험적 증거는 없었다.
• 큐비트 정밀도는 크게 향상되었으며, 특정 플랫폼에서는 최근 기준으로 게이트 정밀도가 99.5% 이상을 기록했지만, 여전히 깊은 회로에서는 부족하다.
• 영역 없는 외삽과 대칭성 검증과 같은 오류 보정 기법은 전망이 밝지만 확장성에 한계가 있으며 고정밀 자원이 필요하다.
• 양자 분산기와 아날로그 양자 시뮬레이터는 실용적 응용에 더 가까이 있지만, 중장기적으로는 확장성 문제에 직면해 있다.
• 논문은 코herence와 오류 전파 문제로 인해 극복하기 어려워지는 상황이 오기 전까지 실용적인 NISQ 응용을 위한 좁은 창을 식별한다.
• 가능한 미래 시나리오는 NISQ와 FTQC가 큐비트 수와 정밀도 간의 상충되는 요구사항으로 인해 서로 다른 경로를 따라 발전할 수 있음을 시사한다.