이 글은 IBM 공식 블로그에서 2019년 10월에 발표한 "Quantum Computing on Quantum Supremacy", Edwin Pednault et al[1] 을 공부하는 글입니다. 번역기를 사용하지 않고, 현재 공부 중인 도메인이라 단어 선정이나 글의 흐름이 매끄럽지 않을 수 있습니다. 논문의 그림은 IBM 에서 공개한 링크로 대체합니다.
양자 컴퓨터는 고전 모의 실험의 한계에 접근하기 시작했고, 우리에게 성능 측정 과정과 그 모의 실험들이 얼마나 어려운 지를 묻는 것을 지속하는 일은 중요하다. 이는 흥미로운 과학적 질문이다.
양자 컴퓨팅의 최근의 진보는 두 53-큐비트 프로세스들이다. 하나는 IBM 의 우리 그룹에서 나왔고, 하나는 구글이 네이처 저널에서 출간된 논문으로 기술한 기기이다. 이 논문에서, 그들의 기기는 "양자 우월성"을 달성(reach)하였고, "최신 전통 슈퍼컴퓨터는 동등한 작업을 수행하는 데 대략 일만년이 필요할 것"이라고 한 것은 논쟁이 된다. 우리는 같은 작업의 이상적인 모의 실험이 훨신 큰 충실도로 전통적인 시스템에서 2.5일 안에 수행될 수 있음을 주장한다. 이는 사실 보수적이며, 최악의 경우의 추정이고, 우리는 추가 정제(refinement)를 통해 전통적인 모의 실험 비용이 상당히 줄어들 수 있다고 기대한다.
왜냐하면 2012년 존 프레스킬(John Preskill)[2]이 제안했던 "양자 우월성" 용어의 원래 의미가 기술하는 점은 양자 컴퓨터는 할 수 있는 일이나, 전통 컴퓨터는 할 수 없는 일이고, 이 기준(threshold)이 만족되지 않았다.
"양자 우월성"의 특별한 개념은 어떤 가용한 고전 컴퓨터로도 모의실험이 실현 불가능한 크기의 임의 양자 회로의 실행을 기반으로 한다. 특히, 논문은 53-큐비트 양자 프로세서의 계산 실험으로, 깊이 20의 두 큐비트 게이트 양자 회로, 430개의 두-큐비트와 1,113개의 단일-큐비트 게이트, 0.2%의 예상 총합 충실도(fidelity)를 인상적으로 구현한다. 그들의 전통 모의 실험 추정치인 만년은 불가능할(would be prohibitive) 슈뢰딩거 타입 모의 실험에서 전체 상태 벡터를 저장하는 작업에 필요한 RAM 메모리 관찰을 기반으로 하고, 시간과 공간의 상호관계(trade-off)인 슈뢰딩거-파인만 모의실험에 의존(resort)할 필요가 있다.
"양자 우월성"의 개념은 얽힘과 중첩에 대한 직접적인 접근과 같은 양자 컴퓨터의 고유 자원(resources)을 소개한다. 반면에, 전통적인 컴퓨터도 메모리 계층, 고정밀 계산 하드웨어, 다양한 소프트웨어 자산, 방대한 알고리즘 기반의 지식 등 그들 고유의 자원을 가지고 있으며, 이 능력들은 양자 컴퓨터와 전통 컴퓨터를 비교할 때 중요한 영향을 미친다.
그들이 전통적인 컴퓨터와의 비교를 생성할 때, 그들은 진보적인 모의실험의 평행성, 빠르고 오류가 없는 계산, 방대하게 통합된 RAM 에 의존하였으나, 많은(plentiful) 디스크 저장에 대한 충분한 설명은 실패하였다. 반면에, 우리의 슈뢰딩거 스타일 전통 모의실험 접근법은 상태 벡터를 저장하고 조작하기 위한 RAM 과 하드디스크 공간 양쪽을 사용한다. 우리의 모의 실험 기술(methodology)에 적용된 성능 강화 기법(techniques)은 회로 분할(circuit partitioning), 텐서 수축 지연(tensor contraction deferral), 게이트 병합과 일괄 처리(gate aggregation and batching), 집단적 통신의 섬세한 편성(careful orchestration of collective communication)과, 복합(hybrid) 노드의 CPU 및 GPU 구성요소 위에서 수행되는 계산과 발생하는 통신을 일치(overlap)시키기 위한 더블 버퍼링과 캐시 블로킹과 같은 잘 알려진 최적화 기법들이 포함되어 있다. 추가적은 세부사항은 "깊이 54큐비트 시카모어 회로의 모의 실험을 위한 2차 저장소 활용"[3]에서 볼 수 있다.
우리의 모의실험 접근은 전통 세계에서 양자 세계로 직접 전송하지 않는 다수의 멋진 속성들을 특징으로 한다. 예를 들어, 한번 전통적으로 계산되고 나면, 전체 상태 벡터는 자유롭게 여러 번 접근될 수 있다. 우리의 모의 실험 기법의 실행시간은 회로 깊이에 대해 대략 선형적으로 증가하며(scales), 제한된 얽힘 시간에 의한 것과 같은 제약(limits)을 부여하지 않는다. 새롭고 더 나은 전통 하드웨어, 전통 하드웨어를 더 효율적으로 활용하기 위한 코드 최적화, 흥미로운 우월성 모의 실험 류를 실행하기 위한 GPU 직접 통신 활용(leveraging)의 가능성은 말할 것도 없이(not to mention) 우리의 모의 실험을 상당히 가속시킬 것이다.
양자 시스템을 만드는 일은 과학과 공학의 공적(feat)이고 그들의 성능 측정은 엄청난(formidable) 도전이다. 구글의 실험은 53-큐비트 기기에서 최신 게이트 충실도를 보여주는 초전도체 기반 양자 컴퓨팅의 진보에 대한 훌륭한 재현이지만, 양자 컴퓨터가 전통 컴퓨터를 넘는 "우월성"의 증거로 보여서는 안된다.
IBM에 있는 우리가 "양자 우월성"이라는 용어가 어디로 가는 지에 관심을 가지는 것은 양자 공동체에 잘 알려져 있다. 일부 논란이 있는 분야에 대한 조리있는 반박과 자연스러운 반영 양쪽을 포함하여, 이 용어의 기원은 Quanta 매거진에서 John Preskill 의 사려깊은 기사[4]에서 최근에 논의되었다. Preskill 교수는 "이 용어가 이미 과장된 양자 기술의 상태에 대한 보고를 악화시키며", "백인 우월 주의(white supremacy)와 연관하여, 불쾌한(repugnant) 정치적 입장을 유발한다"고 설명하여 공동체에서 제기된 이 용어에 대한 두 주요한 반대를 요약하였다.
둘 다 민감한 반대이다. 그리고 우리는 "우월성" 용어가 (이를 적절한 문맥에 넣을 수 있는 드문(rarified) 양자 컴퓨팅 전문가들의 세계의 바깥에서) 거의 모두에게 오해되고 있다는 것을 추가할 것이다. "양자 우월성 달성"의 일부 변형을 포함하는 헤드라인을 인쇄하는 것은 거의 저항하기 어렵지만, 이는 필연적으로 일반 대중을 오해시킨다. 먼저, 위에서 언급하였듯이, 이 용어의 목적이 가지는 가장 엄격한 정의를 만족시키지 못한다. 하지만 더욱 근본적으로, 양자 컴퓨터는 절대로 전통 컴퓨터를 더 "우월"하게 지배할 수 없으며, 각각은 그들의 고유한 능력을 가지므로, 되려 이들과 협력(concert)하여 동작할 것이다.
위에서 언급한 이유들과, "양자 우월성" 용어가 널리 오해되고 있으며, 계속 증가되고 있는 혼선을 초래하고 있다는 풍부한 증거를 우리가 이미 가지고 있으므로, 우리는 공동체에게, 처음으로, 적절한 성능 측정 기준(metric)의 복잡한 환경 때문에 전통 컴퓨터가 할 수 없는 일을 수행했다는 양자 컴퓨터는 상당한 의구심(a large dose of skepticism)을 가지고 다뤄줄 것을 촉구한다.
사회에 긍정적인 영향을 주는 양자를 위해, 이 사전 작업(task ahead)은 재현 가능하고 믿을 수 있는 넓은 배열의 양자 시연, 알고리즘, 그리고 프로그램들을 구현할 수 있는 더 강력하고 프로그래밍 가능한 양자 컴퓨팅 시스템을 만들고 널리 접근 가능하도록 지속한다. 이는 양자 컴퓨터가 실현되는 현실적인 해결책으로 가는 유일한 길이다.
마지막 생각. 양자 컴퓨팅의 개념은 물리학자, 공학자와 컴퓨터과학자들을 포함하는 새로운 세대의 과학자들에게 근본적으로 정보 기술의 지형(landspace)을 바꾸도록 고무하고(inspiring) 있다. 만약 당신이 이미 양자 컴퓨팅의 변경(frontier)을 앞으로 밀고 있다면, 그 추진력을 계속하자. 그리고 만약 당신이 이 분야가 새롭다면, 와서 공동체에 합류하라. 앞으로 나아가 진짜 양자 컴퓨터에서 당신의 첫번째 프로그램을 오늘 실행[5]하라.
최고는 아직 오직 않았다.
[3] "Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits", Edwin Pednault et al, https://arxiv.org/abs/1910.09534
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