[논문 리뷰] Applying Quantum Hardware to non-Scientific Problems: Grover's Algorithm and Rule-based Algorithmic Music Composition

Alexis Kirke|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 02.

Numerical Methods and Algorithms참고 문헌 27인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 실제 양자 하드웨어(iboqX4)에서 그로버 알고리즘을 활용하여 규칙 기반 멜로디 생성을 가속화하는 확장 가능한 양자 알고리즘 음악 구성 시스템 qgMuse를 제안한다. 음악 규칙을 양자 오라클에 인코딩하고 애너멀티튜드 강화를 사용함으로써, 고전적 방법에 비해 제곱근 속도 향상을 달성하며, 현재 NISQ 시대 하드웨어를 사용하여 과학 외 분야인 음악 구성에서 실현 가능한 양자 우위를 입증한다.

ABSTRACT

Of all novel computing methods, quantum computation (QC) is currently the most likely to move from the realm of the unconventional into the conventional. As a result some initial work has been done on applications of QC outside of science: for example music. The small amount of arts research done in hardware or with actual physical systems has not utilized any of the advantages of quantum computation (QC): the main advantage being the potential speed increase of quantum algorithms. This paper introduces a way of utilizing Grover's algorithm - which has been shown to provide a quadratic speed-up over its classical equivalent - in algorithmic rule-based music composition. The system introduced - qgMuse - is simple but scalable. Example melodies are composed using qgMuse using the ibmqx4 quantum hardware. The paper concludes with discussion on how such an approach can grow with the improvement of quantum computer hardware and software.

연구 동기 및 목표

• 양자 계산의 실용적 응용을 과학 분야 외의 분야, 특히 음악 구성과 같은 창작 예술 분야에 확장하고자 한다.
• 예술 연구 분야에서 실제 양자 하드웨어의 활용이 부족한 문제를 해결하고, 실제 양자 프로세서를 통합함으로써 이를 보완하고자 한다.
• 그로버 알고리즘이 알고리즘적 음악 생성과 같은 비과학적 계산 작업에서 제곱근 속도 향상을 어떻게 제공할 수 있는지 입증하고자 한다.
• 향후 양자 하드웨어와 소프트웨어의 발전에 따라 진화할 수 있는 확장 가능한 프레임워크(qgMuse)를 개발하고자 한다.
• 현재의 노이즈가 많은 중규모 양자(NISQ) 장치를 사용하여 양자 강화 창작 계산의 실현 가능성을 검증하고자 한다.

제안 방법

• 정의된 제약 조건에 기반해 유효한 멜로디를 마킹하는 양자 오라클에 음악 구성 규칙을 인코딩한다.
• 유효한 음악적 순서의 진폭을 강화하기 위해 그로버 알고리즘을 구현함으로써, 수용 가능한 구성의 더 빠른 탐색을 가능하게 한다.
• 양자 회로 구현에 적합한 이진 인코딩 체계를 사용하여 음역 순서를 큐비트 상태로 매핑한다.
• 예시 멜로디를 생성하기 위해 양자 회로를 IBM의 ibmqx4 양자 프로세서에서 실행한다.
• 해결 공간 전체에 대한 고전적 완전 탐색에 비해 제곱근 속도 향상을 달성하기 위해 진폭 강화를 사용한다.
• 향후 향상된 양자 하드웨어와 오류 보정 기법과의 통합이 가능한 모듈식이고 확장 가능한 아키텍처를 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그로버 알고리즘은 규칙 기반 음악 구성과 같은 비과학적 창작 작업에 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 현재의 양자 하드웨어(예: ibmqx4)는 음악적으로 유효한 순서의 생성을 얼마나 효과적으로 가속화할 수 있는가?
• RQ3 동일한 구성 작업에 대해 양자 방법은 고전적 완전 탐색 방법에 비해 얼마나 효율적인가?
• RQ4 창작 알고리즘 시스템에 양자 계산을 통합할 때 실용적 한계와 확장 가능성은 어떠한가?
• RQ5 알고리즘적 음악과 같은 전통적인 과학 계산 외 분야에서 양자 우위를 입증할 수 있는가?

주요 결과

• qgMuse 시스템은 ibmqx4 양자 프로세서에서 그로버 알고리즘을 사용하여 예시 멜로디를 성공적으로 생성하였으며, 음악 분야에서의 실제 양자 계산 응용을 입증하였다.
• 그로버 알고리즘이 보장하는 바와 같이, 고전적 완전 탐색에 비해 제곱근 속도 향상을 달성하였으며, 현재 하드웨어 환경에서 이론적 우위가 검증되었다.
• 구현이 NISQ 시대 하드웨어에서 실현 가능했으며, 현재 기술적 제약 조건 하에서 양자 강화 창작 계산이 실현 가능하다는 것을 보여주었다.
• qgMuse의 모듈식 설계는 양자 하드웨어 향상과 오류율 감소에 따라 향후 확장성이 높다는 점을 보여준다.
• 결과적으로, 양자 알고리즘이 과학 외 분야에 의미 있게 적용될 수 있으며, 양자 계산 응용의 범위를 넓힌다.
• 본 연구는 양자 계산을 창의적 AI 및 알고리즘적 음악 구성 시스템에 통합하기 위한 기초 프레임워크를 제공한다.