[논문 리뷰] Loading Classical Data into a Quantum Computer

John A. Cortese, Timothy M. Braje|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 05.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 50

한 줄 요약

논문은 고전 이진 데이터를 양자 상태에 로딩하기 위한 세 가지 회로 계열을 제시하고, 로그 규모의 큐비트 사용을 가능하게 하며 데이터 전송을 양자 메모리로 최적화하기 위한 압축 기법을 탐구합니다.

ABSTRACT

This document describes a family of quantum circuits which load classical data into a quantum state. When loading $N$ classical bits, the result quantum state is of order $\log_2(N)$ qubits. Furthermore the gate depth of the data loading circuit is of order $\log_2(N)$. Limitations to the efficiency of the data loading process such as the Holevo bound are discussed. Methods to improve the efficiency of the data loading procedure such as combining classical compression techniques with quantum decompression circuitry, are also discussed. Simulations using the Quipper language were conducted to verify the circuits behavior.

연구 동기 및 목표

• 양자 계산을 위해 고전 데이터를 양자 포맷으로 효율적으로 전송하는 문제를 동기부여하고 형식화한다.
• 다양한 큐비트 수와 게이트 깊이를 가진 고전 데이터 N비트를 양자 상태로 로딩하는 회로 계열을 개발하고 비교한다.
• 자원 요구를 줄이고 큐비트 재사용을 가능하게 하는 압축 및 얽힘 해소 기법을 도입한다.
• 제안된 회로 계열의 게이트 깊이, 큐비트 수, 게이트 수를 분석하여 확장성을 평가한다.

제안 방법

• 고전 데이터를 나타내는 양자 상태 형식 정의(예: |00b00⟩+|01b01⟩+...).
• 게이트 깊이 1로 N 큐비트에 N 비트를 로딩하는 회로 계열 #1 제시.
• 재귀적 데이터 로딩과 스와핑 게이트를 통해 로그2(N) 큐비트 수를 달성하는 회로 계열 #2를 도입.
• 사용되는 양자 게이트(Swap, CSWAP, Toffoli, CNOT) 및 이들의 분해를 설명.
• 샤논의 채널 용량 정리에 guided된 고전 압축/압축 해제에 의한 데이터 흐름 최적화를 설명.
• 버리기 전 큐비트를 해방시키면서도 중첩 상태를 보존하는 얽힘 해소 기법에 대해 논의.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전 이진 데이터를 최소 큐비트 및 게이트 깊이로 양자 상태에 효율적으로 인코딩하려면 어떻게 해야 하는가?
• RQ2 데이터 압축이 회로 깊이 및 양자 메모리 로딩 자원에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 버려진 큐비트를 손상 없이 안전하게 재사용하는 방법은 무엇인가?
• RQ4 대규모 데이터 집합에서 서로 다른 데이터 로딩 회로 계열이 큐비트 수, 게이트 깊이, 총 게이트 수에서 어떻게 확장되는가?

주요 결과

• 회로 계열 #1은 N 비트를 N 큐비트에 로딩하고 게이트 깊이는 1이며 N 큐비트를 사용한다.
• 회로 계열 #2는 데이터의 압축으로 log2(N) 큐비트를 가능하게 하여 지수적 속도 향상을 잠재적으로 가능하게 하지만 스왑(Swaps) 및 CSWAP와 같은 추가 회로 구조가 필요하다.
• 압축/압축 해제는 N에서 M으로 로딩 단계를 줄일 수 있어 M ≤ N이고 특정 데이터 통계 하에서 N−M의 큐비트 절약을 제공한다.
• 얽힘 해소 기법은 얽힘을 제거하고 남은 양자 상태의 완전성을 유지함으로써 버려진 큐비트를 재사용할 수 있게 한다.
• 이 연구는 회로 계열 #2에 대한 점근적 분석과 자원 표를 제공하고, 회로 계열 전반에서 게이트 깊이, 큐비트 수 및 핵심 게이트 수(Hadamard, CSWAP, CNOT, CCNot)를 논의한다.