양자 슈퍼컴퓨터 구축 방법: 확장성 과제와 기회, 그리고 현실적인 비용 및 성능 분석

Основные понятия

본 논문에서는 양자 컴퓨팅의 실용적인 확장을 위한 다층적 과제와 기회를 제시하고, 특히 초전도 큐비트 기반 시스템의 현실적인 오류 분포를 고려한 오류 수정 양자 컴퓨터에서 양자 화학 계산에 대한 자세한 리소스 및 민감도 분석을 통해 양자 하드웨어 및 알고리즘 개선을 통한 성능 향상 가능성을 제시합니다. 또한, 현재의 산업 규모의 최적화 및 머신 러닝 문제를 비용 효율적으로 해결하기 위해 맞춤형 가속기를 갖춘 분산 양자 지원 확률론적 컴퓨팅을 확장성을 위한 보완적인 경로로 제안합니다.

Аннотация

본 연구 논문에서는 양자 컴퓨팅 기술의 확장성에 대한 심층적인 분석을 제공하며, 양자 슈퍼컴퓨터 구축 과정에서 직면하는 다양한 과제와 이를 극복하기 위한 잠재적 기회를 제시합니다. 논문은 크게 양자 컴퓨터 하드웨어의 시스템 엔지니어링, 고품질 양자 하드웨어 및 고성능 제어, 내결함성 양자 컴퓨팅, 내결함성 양자 컴퓨팅을 위한 리소스 예측, 고성능 하이브리드 양자-고전 컴퓨팅, 분산 양자 시뮬레이션, 이기종 양자 및 확률론적 컴퓨팅 등의 주제를 다룹니다.
양자 컴퓨터 하드웨어의 시스템 엔지니어링
논문에서는 양자 컴퓨터 하드웨어 개발에 시스템 엔지니어링 접근 방식을 강조하며, 품질, 수량, 속도, 연결성을 양자 하드웨어 접근 방식을 비교하는 핵심 매개변수로 제시합니다. 또한, 양자 프로세서의 규모를 NISQ 프로세서의 약 100개의 물리적 큐비트에서 내결함성 양자 컴퓨터의 유틸리티 규모 애플리케이션에 필요한 100만 개 이상의 큐비트로 확장할 때 직면하는 다양한 특성의 과제를 강조합니다.
고품질 양자 하드웨어 및 고성능 제어
고품질 양자 하드웨어 구축의 중요성을 강조하며, 특히 초전도 큐비트 제작, 웨이퍼 스케일 통합, 제어 하드웨어의 기술적 과제와 기회를 논의합니다. 큐비트 제작 공정 제어 및 구성 요소 수준 테스트의 필요성을 강조하고, TLS 결함을 줄여 일관성, 2큐비트 오류율 및 특이치 발생을 개선하는 방법을 제시합니다. 또한, 배선, 패키징, 제어 전자 장치의 확장과 관련된 과제를 해결하기 위한 잠재적 솔루션을 제시합니다.
내결함성 양자 컴퓨팅
대규모 양자 컴퓨팅에서 내결함성 양자 컴퓨팅(FTQC)의 중요성을 강조하며, 내결함성 회로 컴파일, 양자 메모리 실험을 위한 양자 하드웨어 벤치마킹, 특정 하드웨어 개선에 대한 FTQC 성능의 민감도, 큐비트 및 게이트 품질 분포의 논리적 오류율에 미치는 영향, 다른 FTQC 프로토콜의 에뮬레이션, 고성능 실시간 디코딩 플랫폼, 여러 희석 냉각기에서 분산 FTQC 등의 주제를 다룹니다.
내결함성 양자 컴퓨팅을 위한 리소스 예측
유틸리티 규모에서 FTQC의 실질적인 구현을 위해서는 리소스 오버헤드를 추정하고 검증하는 것이 중요하며, 이를 위해 표면 코드 오류 수정 양자 컴퓨터에서 분자의 전자 스펙트럼의 양자 계산에 대한 자세한 리소스 및 민감도 분석을 제공합니다. 또한, 현재, 목표 및 원하는 하드웨어 사양(초전도 큐비트 기반)과 현실적인 오류 분포를 고려하여 p-벤ザイン 및 FeMoco에 대한 양자 리소스 예측 연구를 제시합니다.
고성능 하이브리드 양자-고전 컴퓨팅
양자 컴퓨터를 기존의 고성능 컴퓨팅(HPC) 인프라와 통합하는 것의 중요성을 강조하며, HPC 프로그래밍 환경 확장, 고성능 양자 워크로드 분산, 고성능 양자-고전 워크로드 스케줄링 등의 주제를 다룹니다. 양자 가속기와 고전 슈퍼컴퓨터의 대규모 통합을 통해 양자 컴퓨터와의 워크로드를 동적으로 전달하는 것과 관련된 복잡한 과제를 해결하기 위한 잠재적 솔루션을 제시합니다.
분산 양자 시뮬레이션
근시일 내에 실현 가능한 애플리케이션으로 분산 양자 시뮬레이션을 제시하며, 다중 GPU를 사용한 2D 횡단 필드 이징 모델의 동적 양자 상전이와 다중 QPU를 사용한 강하게 무질서한 양자 스핀 유리에 대한 연구 결과를 제시합니다.
이기종 양자 및 확률론적 컴퓨팅
논문에서는 고유한 고차 상호 작용을 가진 확률론적 컴퓨팅, p-컴퓨터의 하드웨어 구현, p-컴퓨터 확장, 맞춤형 설계 가속기를 사용한 양자 지원 확률론적 컴퓨팅 등의 주제를 다루며, 기존의 최적화 및 머신 러닝 문제를 해결하기 위한 보완적인 경로를 제시합니다.
결론
본 논문에서는 양자 컴퓨팅 기술의 확장성에 대한 포괄적인 개요를 제공하며, 양자 슈퍼컴퓨터 구축 과정에서 직면하는 다양한 과제와 기회를 강조합니다. 특히, 초전도 큐비트 기반 시스템의 현실적인 오류 분포를 고려한 자세한 리소스 및 민감도 분석을 통해 양자 하드웨어 및 알고리즘 개선을 통한 성능 향상 가능성을 제시합니다. 또한, 분산 양자 지원 확률론적 컴퓨팅을 확장성을 위한 보완적인 경로로 제안합니다.

Статистика

초전도 큐비트 기반 양자 컴퓨터의 경우, 10⁻⁴ 수준의 2큐비트 오류율을 달성하더라도 100만 개 이상의 물리적 큐비트가 필요하며, 이는 현재의 희석 냉각기 용량을 훨씬 초과합니다.
최첨단 디코더를 사용하는 초전도 큐비트의 경우 d=7 표면 코드를 디코딩하는 데 약 60µs가 소요되며, 이는 컴파일 병목 현상을 피하기 위해 5~20µs 이내의 대기 시간이 필요한 컴파일 요구 사항을 충족하지 못합니다.
양자 오류 수정 코드(QECC)의 오버헤드를 줄이기 위해 높은 인코딩 속도를 갖는 "좋은" QECC, 예를 들어 양자 LDPC 코드를 구축하기 위한 연구가 활발히 진행 중입니다.

Ключевые выводы из

How to Build a Quantum Supercomputer: Scaling Challenges and Opportunities

by Masoud Mohse... в arxiv.org 11-18-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.10406.pdf

Дополнительные вопросы

양자 컴퓨팅 기술의 발전이 기존 암호화 기술에 미치는 영향은 무엇이며, 이에 대한 대비책은 무엇일까요?

양자 컴퓨팅 기술의 발전은 현재 우리가 인터넷 보안 등에 널리 사용하는 기존 암호화 기술에 심각한 위협을 가합니다. 특히, RSA나 ECC와 같은 공개키 암호 시스템은 양자 컴퓨터의 등장으로 그 안전성이 근본적으로 흔들리게 됩니다.
1. 기존 암호화 기술의 취약성:

쇼어 알고리즘(Shor's algorithm): 양자 컴퓨터에서 실행되는 쇼어 알고리즘은 기존 암호 시스템의 핵심 기반인 소인수분해 문제와 이산 로그 문제를 효율적으로 해결할 수 있습니다. 이는 현재 널리 사용되는 공개키 암호 시스템의 안전성을 무력화시키는 것을 의미합니다.
2. 대비책:
다행히 양자 컴퓨팅의 위협으로부터 안전한 암호 기술, 즉 양자내성암호(Post-Quantum Cryptography, PQC) 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

격자 기반 암호: 격자의 복잡한 수학적 구조에 기반한 암호 방식으로, 쇼어 알고리즘에 대한 내성을 가지고 있습니다.
코드 기반 암호: 오류 정정 코드를 이용하여 암호화하는 방식으로, 쇼어 알고리즘으로는 해독하기 어려운 것으로 알려져 있습니다.
다변수 다항식 기반 암호: 여러 개의 변수를 가진 다항식의 방정식을 푸는 문제의 어려움에 기반한 암호 방식입니다.
해시 기반 암호: 해시 함수의 안전성에 기반한 암호 방식으로, 양자 컴퓨터에도 안전한 것으로 알려져 있습니다.
3. 추가적인 노력:

표준화: 양자내성암호 알고리즘의 표준화는 안전하고 호환 가능한 시스템 구축을 위해 필수적입니다. NIST(미국 국립표준기술연구소)를 비롯한 여러 기관에서 양자내성암호 표준화 작업을 진행하고 있습니다.
구현 및 배포: 양자내성암호 알고리즘의 효율적인 구현 및 기존 시스템과의 호환성 확보는 실질적인 보안 강화를 위해 중요합니다.
지속적인 연구: 양자 컴퓨팅 기술의 발전에 따라 새로운 공격 방식이 등장할 수 있으므로 양자내성암호 기술에 대한 지속적인 연구 및 개발이 필요합니다.
결론적으로 양자 컴퓨팅은 기존 암호화 기술에 심각한 위협을 가하지만, 양자내성암호 기술의 개발 및 표준화, 구현, 지속적인 연구를 통해 안전한 미래를 준비할 수 있습니다.

양자 컴퓨팅이 특정 문제에 대해서만 이점을 제공한다면, 범용 양자 컴퓨터 개발의 실용성에 대한 의문은 어떻게 해결할 수 있을까요?

양자 컴퓨터가 특정 문제에 대해서만 이점을 제공한다는 점은 사실입니다. 하지만 이는 범용 양자 컴퓨터 개발의 실용성을 부정하는 것이 아닌, 오히려 현실적인 접근을 요구하는 것으로 이해해야 합니다.
1. 특정 문제에 대한 압도적인 성능:
양자 컴퓨터는 쇼어 알고리즘과 같이 특정 문제에 대해 기존 컴퓨터를 압도하는 성능을 보여줍니다. 이러한 문제들은 암호학, 신약 개발, 재료 과학 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 합니다. 따라서 특정 문제 해결에 획기적인 발전을 가져올 수 있다는 점만으로도 범용 양자 컴퓨터 개발의 실용성은 충분히 뒷받침됩니다.
2. NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum) 시대의 도래:
현재 기술 수준은 완벽한 범용 양자 컴퓨터 개발까지는 상당한 시간이 필요합니다. 하지만, NISQ라고 불리는 제한적인 성능의 양자 컴퓨터는 이미 개발되어 활용되고 있습니다. NISQ 디바이스는 제한적인 큐비트 수와 오류율을 가지고 있지만, 특정 최적화 문제나 양자 시뮬레이션 분야에서 기존 컴퓨터의 성능을 뛰어넘을 가능성을 보여주고 있습니다.
3. 하이브리드 양자-고전 컴퓨팅:
범용 양자 컴퓨터 개발의 실용성에 대한 의문을 해결하는 또 다른 접근 방식은 하이브리드 양자-고전 컴퓨팅입니다. 이는 양자 컴퓨터가 가장 잘하는 작업(특정 연산 작업)과 기존 컴퓨터가 잘하는 작업(데이터 처리, 알고리즘 실행)을 결합하는 방식입니다. 이를 통해 양자 컴퓨터의 장점을 극대화하고 단점을 보완하여 실용적인 문제 해결에 활용할 수 있습니다.
4. 범용성을 향한 점진적인 발전:
양자 컴퓨팅 기술은 끊임없이 발전하고 있습니다. 큐비트의 안정성 및 연결성을 향상시키는 기술, 양자 오류 정정 기술 등의 발전은 더욱 강력하고 범용적인 양자 컴퓨터 개발을 가능하게 합니다.
결론적으로 범용 양자 컴퓨터 개발은 특정 문제에 대한 압도적인 성능, NISQ 기술의 활용, 하이브리드 컴퓨팅 접근 방식, 그리고 지속적인 기술 발전을 통해 그 실용성을 입증해나갈 것입니다.

예술 창작, 철학적 탐구, 인간 의식 이해와 같이 전통적으로 인간의 영역으로 여겨졌던 분야에서 양자 컴퓨팅이 어떤 역할을 할 수 있을까요?

양자 컴퓨팅은 예술 창작, 철학적 탐구, 인간 의식 이해와 같이 전통적으로 인간의 영역으로 여겨졌던 분야에 새로운 시각과 도구를 제공할 수 있습니다.
1. 예술 창작:

새로운 예술적 표현: 양자 컴퓨팅은 예술가들에게 양자 현상의 불확정성, 중첩, 얽힘과 같은 개념을 활용하여 새로운 예술적 표현 방식을 탐구할 수 있는 기회를 제공합니다.
창작 과정의 확장: 양자 알고리즘과 생성 모델을 사용하여 예술 작품의 생성 과정에 새로운 가능성을 제시할 수 있습니다. 예를 들어, 양자 컴퓨터는 예술가의 스타일을 학습하여 새로운 작품을 생성하거나, 예술가에게 영감을 줄 수 있는 새로운 이미지나 음악을 생성할 수 있습니다.
예술과 과학의 융합: 양자 컴퓨팅은 예술과 과학의 융합을 촉진하여 새로운 예술 형식과 경험을 창출하는 데 기여할 수 있습니다.
2. 철학적 탐구:

인식과 실재에 대한 새로운 이해: 양자 현상의 특징은 인간의 인식, 실재의 본질, 자유 의지 등과 같은 근본적인 철학적 질문에 대한 새로운 시각을 제공할 수 있습니다.
논리와 추론의 확장: 양자 컴퓨팅은 기존 논리 체계를 넘어서는 새로운 논리 및 추론 시스템 개발에 기여할 수 있습니다. 이는 인공지능 분야의 발전과 더불어 철학적 논증 및 사고 실험에 새로운 가능성을 제시할 수 있습니다.
3. 인간 의식 이해:

뇌의 양자 현상 모델링: 일부 과학자들은 인간의 뇌에서 양자 현상이 일어나고 있으며, 이것이 의식, 기억, 인지 기능에 중요한 역할을 한다고 주장합니다. 양자 컴퓨팅은 이러한 가설을 탐구하고 뇌의 양자 현상을 모델링하는 데 사용될 수 있습니다.
의식의 계산적 모델 개발: 양자 컴퓨팅은 의식의 계산적 모델을 개발하고 테스트하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이는 의식의 기원, 본질, 그리고 인공 의식 개발 가능성에 대한 이해를 높이는 데 기여할 수 있습니다.
4. 극복해야 할 과제:

기술적 한계: 양자 컴퓨팅 기술은 아직 초기 단계이며, 위에서 언급한 분야에 적용하기 위해서는 극복해야 할 기술적 한계가 존재합니다.
윤리적 문제: 양자 컴퓨팅의 발전은 예술 창작, 철학적 탐구, 인간 의식 이해와 관련된 새로운 윤리적 문제를 야기할 수 있습니다. 예를 들어, 인공지능 예술가의 저작권 문제, 양자 컴퓨팅 기반 인공 의식의 윤리적 지위 등이 논의될 수 있습니다.
결론적으로 양자 컴퓨팅은 예술 창작, 철학적 탐구, 인간 의식 이해와 같은 인간 중심적인 분야에 새로운 도구와 시각을 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 아직 극복해야 할 과제들이 많지만, 양자 컴퓨팅은 인간의 창의성과 지적 영역을 더욱 확장시키는 데 기여할 수 있을 것입니다.