[논문 리뷰] The Future of Quantum Computing with Superconducting Qubits

Sergey Bravyi, Oliver Dial외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 14.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트를 활용하여 곧바로 양자 우위를 달성하기 위한 로드맵을 제안한다. 오류 보정, 회로 분할 기법, 히وري스틱 양자 알고리즘을 결합하고, 개선된 오류 보정 코드와 모듈러형, 양자 중심의 슈퍼컴퓨터 아키텍처를 통해 고장내성 양자 계산으로 나아가며, 하드웨어-소프트웨어 공동 설계를 통한 실용적이고 단계적인 전환을 제안한다. 핵심 기여는 노이즈가 많은 중간 규모 양자(NISQ) 장치에서 고장내성 시스템으로의 전환을 가능하게 하는 실용적인 방법이다.

ABSTRACT

For the first time in history, we are seeing a branching point in computing paradigms with the emergence of quantum processing units (QPUs). Extracting the full potential of computation and realizing quantum algorithms with a super-polynomial speedup will most likely require major advances in quantum error correction technology. Meanwhile, achieving a computational advantage in the near term may be possible by combining multiple QPUs through circuit knitting techniques, improving the quality of solutions through error suppression and mitigation, and focusing on heuristic versions of quantum algorithms with asymptotic speedups. For this to happen, the performance of quantum computing hardware needs to improve and software needs to seamlessly integrate quantum and classical processors together to form a new architecture that we are calling quantum-centric supercomputing. Long term, we see hardware that exploits qubit connectivity in higher than 2D topologies to realize more efficient quantum error correcting codes, modular architectures for scaling QPUs and parallelizing workloads, and software that evolves to make the intricacies of the technology invisible to the users and realize the goal of ubiquitous, frictionless quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 완전한 고장내성 없이도 근접한 시기 내에 양자 우위를 달성할 수 있는 길을 규명하기 위해.
• 제한된 오류 보정으로 노이즈가 많은 양자 회로에서 유용한 정보를 추출하는 데 도전하는 데.
• 대규모 양자 계산을 위해 자원 오버헤드를 줄이는 가용성 있고 효율적인 양자 오류 보정 기법을 설계하기 위해.
• 클래식 및 양자 프로세서 간의 원활한 통합을 가능하게 하기 위해 양자 중심 슈퍼컴퓨팅 모델을 통해.

제안 방법

• 완전한 오류 보정 없이도 출력 정밀도를 향상시키기 위해 패러티 오류 보정(PEM) 및 확률적 오류 취소(PEC)와 같은 양자 오류 보정 기법을 활용한다.
• 공간적 국소성과 클래식 통신을 활용하여 여러 QPU에 걸쳐 큰 회로를 더 작은 하위회로로 분해하는 회로 분할 기법을 구현한다.
• 얕은 회로 기반의 히وري스틱 양자 알고리즘을 설계하여 점근적 속도 향상을 제공하고 현재 하드웨어의 정밀도 수준과 호환되도록 한다.
• 표면 코드보다 더 효율적인 대안으로 낮은 밀도의 부호 검사(LDPC) 양자 코드를 제안하여 더 높은 논리 큐비트 밀도와 더 낮은 오버헤드를 가능하게 한다.
• 지연 시간을 최소화하고 실시간 클래식-양자 조율을 가능하게 하기 위해 클래식 및 양자 제어기가 밀접하게 통합된 클러스터형, 양자 중심 슈퍼컴퓨터 아키텍처를 설계한다.
• 하드웨어 복잡성을 추상화하는 소프트웨어 스택을 개발하여 애플리케이션 개발자가 하드웨어 인프라보다 알고리즘에 집중할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게이트 정밀도가 약 99.99%인 노이즈가 많은 양자 회로에서 완전한 오류 보정 없이도 유용한 계산 결과를 어떻게 추출할 수 있는가?
• RQ2 양자 및 클래식 프로세서를 어떻게 조합하여 근접한 QPU의 계산 범위를 연장할 수 있는가?
• RQ3 점근적 속도 향상을 제공하는 히وري스틱 양자 알고리즘의 버전을 현재의 노이즈가 많은 하드웨어에서 효율적으로 실행할 수 있도록 설계할 수 있는가?
• RQ4 오류 보정을 어떻게 더 효율적으로 만들 수 있어 고장내성 양자 계산을 위해 필요한 물리 큐비트 오버헤드를 줄일 수 있는가?
• RQ5 확장 가능하고 모듈러적이며 병렬화 가능한 양자 계산을 가능하게 하기 위해 필요한 하드웨어 및 소프트웨어 아키텍처는 무엇인가?

주요 결과

• 실용적인 문제 크기에서 표면 코드를 사용한 오류 보정은 회로 크기를 거의 6자리 수준으로 증가시켜 근접한 QPU에 있어 비용이 지나치게 높아진다.
• 최신 오류 보정 기법인 PEC는 수학적 성능 보장을 제공하지만 기하급수적인 클래식 처리 비용을 수반한다. 이는 향후 하드웨어 향상으로 인해 감소할 것으로 예상된다.
• 회로 분할은 큰 회로를 더 작은 하위회로로 분해하고 클래식 후처리를 통해 결과를 통합함으로써 현재 하드웨어의 범위를 효과적으로 연장한다.
• 낮은 밀도의 부호 검사(LDPC) 코드는 표면 코드보다 더 높은 논리 큐비트 인코딩 비율과 더 낮은 물리 큐비트 오버헤드를 제공하여 더 효율적인 양자 오류 보정의 길을 열어준다.
• 2차원 연결 구조가 아닌 모듈러형 아키텍처는 고급 오류 보정 코드를 실현하고 확장 가능하며 병렬화된 양자 계산을 가능하게 하기 위해 필수적이다.
• 클래식 및 양자 제어기가 밀접하게 통합된 양자 중심 슈퍼컴퓨터 모델은 저지연 시간 조율, 회로 커팅, 하이브리드 클래식-양자 워크플로우의 서버리스 실행을 가능하게 한다.