[논문 리뷰] Quantum computing 40 years later

John Preskill|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 19.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 36

한 줄 요약

프렌리? Preskill는 양자컴퓨팅의 기원, 현재의 NISQ 시대, 확장 가능한 내결함 양자계산의 전망을 다루며 양자 시뮬레이션과 화학에서의 응용에 중점을 둡니다.

ABSTRACT

Forty years ago, Richard Feynman proposed harnessing quantum physics to build a more powerful kind of computer. Realizing Feynman's vision is one of the grand challenges facing 21st century science and technology. In this article, we'll recall Feynman's contribution that launched the quest for a quantum computer, and assess where the field stands 40 years later.

연구 동기 및 목표

• 파인먼의 원래 비전과 이것의 양자 계산으로의 역사적 발전을 요약한다.
• 현재의 양자 하드웨어 상태와 확장 가능한 내결함 양자 컴퓨팅(FTQC)까지의 격차를 평가한다.
• 특히 양자 시뮬레이션과 화학에서의 양자 컴퓨팅의 잠재적 응용을 논의한다.

제안 방법

• 파인먼, 마닌, 베니오프, 도이치, 쇼어 등으로부터의 기초 아이디어의 역사적 합성.
• 양자 비트, 텐서 곱, 그리고 양자 회로 모델의 핵심 개념에 대한 설명.
• NISQ 시대, 양자 시뮬레이션(아날로그 및 디지털), 그리고 오류 수정이 포함된 FTQC로의 경로에 대한 논의.
• 확정도-임계 정리(accuracy-threshold theorem)와 표면 코드(surface code) 개념을 확장성 추진 동인으로 언급.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파인먼의 제안으로부터 40년이 지난 현재 양자 컴퓨팅의 현황은?
• RQ2 단기 및 장기에서 NISQ 장치가 어떤 역할을 하게 되며 내결함 양자 컴퓨터와 어떤 관계를 가지는가?
• RQ3 특히 양자 시뮬레이션과 화학에서 양자 컴퓨팅의 잠재적 응용은 무엇인가?
• RQ4 확장 가능한 양자 계산을 달성하기 위한 주요 도전 과제와 요구사항(예: 오차율, 큐비트 수)은 무엇인가?

주요 결과

• 양자 컴퓨ting은 양자 시스템을 양자 컴퓨터로 시뮬레이션하겠다는 파인먼의 제안에서 시작되었으며, 고전적 시뮬레이션보다 우수할 잠재력을 강조한다.
• 이 분야는 NISQ 시대로 진입했으며, 구글의 사이커모어(Sycamore)와 같은 장치가 특정 작업에서 양자 계산 우월성 주장을 달성했다.
• NISQ 장치와 확장 가능한 FTQC 사이에는 여전히 큰 격차가 남아 있으며, 양자 오류 수정에 상당한 오버헤드가 필요하고 고임팩트 응용을 위해서는 수십만 개의 물리 큐비트가 필요할 수 있다.
• 양자 우위는 일반적인 NP-하드 최적화 문제보다는 양자 역학의 동역학 시뮬레이션과 특정 화학/물리 문제에서 가장 뚜렷하다.
• 아날로그 및 디지털 양자 시뮬레이터는 상호 보완적인 단기 접근법을 제공하며, 디지털 양자 계산은 미래의 유연성과 정확한 보편성을 제공한다.