[論文レビュー] Next Steps in Quantum Computing: Computer Science's Role

Margaret Martonosi, Martin Roetteler|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 30

ひとこと要約

この論文は、理論的量子優位性と現実のハードウェアの間のギャップを埋めるために、コンピュータサイエンス（CS）研究が果たすべき重要な役割を概説している。理論的量子優位性と実世界のハードウェアの間のギャップを埋めるために、プログラミングモデル、コンパイラ、検証、ハードウェア・ソフトウェア共同設計の分野における進歩を通じて、スケーラブルで検証可能かつ効率的な量子システムの開発を促進する、学際的連携の必要性を提起している。その目的は、現実可能なスケジュールで有用な量子アプリケーションを実現することにある。

ABSTRACT

The computing ecosystem has always had deep impacts on society and technology and profoundly changed our lives in myriads of ways. Despite decades of impressive Moore's Law performance scaling and other growth in the computing ecosystem there are nonetheless still important potential applications of computing that remain out of reach of current or foreseeable conventional computer systems. Specifically, there are computational applications whose complexity scales super-linearly, even exponentially, with the size of their input data such that the computation time or memory requirements for these problems become intractably large to solve for useful data input sizes. Such problems can have memory requirements that exceed what can be built on the most powerful supercomputers, and/or runtimes on the order of tens of years or more. Quantum computing (QC) is viewed by many as a possible future option for tackling these high-complexity or seemingly-intractable problems by complementing classical computing with a fundamentally different compute paradigm. There is a huge gap between the problems for which a quantum computer might be useful and what we can currently build, program, and run. The goal of the QC research community is to close the gap such that useful algorithms can be run in practical amounts of time on reliable real-world QC hardware. In particular, the goal of this Computing Community Consortium (CCC) workshop was to articulate the central role that the computer science (CS) research communities plays in closing this gap. CS researchers bring invaluable expertise in the design of programming languages, in techniques for systems building, scalability and verification, and in architectural approaches that can bring practical QC from the future to the present. This report introduces issues and recommendations across a range of technical and non-technical topic areas.

研究の動機と目的

• 量子コンピューティングの理論的潜在能力と物理的量子ハードウェアの現在の制限との間のギャップが拡大していることに対処する。
• システム、プログラミング、検証研究を通じて、コンピュータサイエンスが実用的量子コンピューティングを可能にする中心的役割を果たすことを特定する。
• 現実の問題を解決できる、スケーラブルで信頼性が高く効率的な量子コンピューティングシステムの開発を促進する。
• フェイルセーフで有用な量子アプリケーションの実現を加速するために、コンピュータサイエンスと量子物理学のコミュニティ間の連携を促進する。
• 量子エコシステムの前進を図るための、技術的および非技術的分野における研究優先順位に関する実行可能な提言を提供する。

提案手法

• コンピューティングコミュニティ協会（CCC）のワークショップを実施し、コンピュータサイエンスの視点から量子コンピューティングにおける主要な課題と機会を同定する。
• 量子アーキテクチャに特化した、プログラミング言語、コンパイラ、ランタイムシステムを含む、システムレベルの研究に焦点を当てる。
• 量子アルゴリズムの実装における正しさを保証するため、形式的検証および信頼性確保技術の強調を行う。
• 量子システムのパフォーマンスとスケーラビリティを最適化するため、ハードウェア・ソフトウェア共同設計の原則を統合する。
• 古典的コンピュータサイエンスの専門知識が量子システムの構築と最適化に応用できる抽象化とツールの開発を行う。
• 既存のコンピュータサイエンスの研究および教育のパイプラインに量子コンピューティングを統合するためのロードマップを提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンピュータサイエンス研究は、理論的量子優位性と実用的で現実の量子ハードウェアとのギャップをどのように埋めることができるか？
• RQ2 信頼性が高くスケーラブルな量子アプリケーションを構築するために、プログラミングモデル、コンパイラ、検証分野でどのようなシステムレベルのイノベーションが必要か？
• RQ3 近い将来の量子プロセッサのパフォーマンス、信頼性、使いやすさを向上させるために、どのようなアーキテクチャ的およびソフトウェア的技術が有効か？
• RQ4 コンピュータサイエンスと量子物理学の学際的連携は、フェイルセーフな量子コンピューティングの開発をどのように加速できるか？
• RQ5 次世代の研究者が量子コンピューティングの課題に備えるために、どのような研究および教育イニシアチブが必要か？

主な発見

• コンピュータサイエンス研究は、理論的優位性を持つ量子アルゴリズムと、それらの実際のハードウェアへの実装とのギャップを埋めるために不可欠である。
• プログラミング言語、コンパイラ、検証技術の進歩が、量子ソフトウェアの正しさと信頼性を保証するために重要である。
• ハードウェア・ソフトウェア共同設計を含むシステムレベルのイノベーションが、量子コンピューティングプラットフォームのパフォーマンスとスケーラビリティを向上させるために不可欠である。
• このレポートは、量子プログラム開発の複雑さを管理するための、形式的技法および検証分野における新たな研究方向性の明確な必要性を同定している。
• フェイルセーフで有用な量子コンピューティングを達成するためには、コンピュータサイエンス、量子物理学、システム工学の連携が不可欠である。
• ワークショップは、量子コンピューティングエコシステムの前進を図るための、研究、教育、インfra投資に関する実行可能な提言を生み出した。