양자컴퓨터 속도 45배 개선 최적화 벤치마크 설정

양자 컴파일레이션(quantum compilation) 디자인을 개선하면 현재보다 최대 45 배 빠른 양자컴퓨팅 속도를 달성할 수 있다.

두 명의 UCLA 컴퓨터 과학자는 양자 컴퓨터 회로를 사용해 양자 프로그램 실행 방법을 알려주는 기존 컴파일러(compilers)가 최적화된 컴퓨팅을 방해한다는 것을 보여주었다.

컴퓨터 설계에서 회로 깊이가 작을수록 계산이 더 빨리 완료될 수 있다. 회로가 작을수록 기존 양자 컴퓨터에 더 많은 계산이 포함될 수 있음을 의미한다. 양자 컴퓨터 설계자는 이러한 벤치마크를 사용해 최상의 회로 설계를 찾을 수 있는 설계 도구를 개선할 수 있다.

UCLA 공대 컴퓨터과학 교수 제이슨 공(Jason Cong) 수석 연구원은 “우리는 측정하고 개선하는 방법론을 믿는다…더 나은 양자 컴파일 도구를 개발하는 중이며 전체 양자 연구 커뮤니티도 마찬가지 일 것”이라고 말했다.

연구팀은 가장 많이 사용되는 Cirq(Google), Qiskit(IBM) 등 네 가지 양자 컴파일 도구에서 벤치마크를 테스트했다. 제이슨 공과 대학원생 다니엘 탄(Daniel Tan)은 관련 연구를 피어 리뷰 저널 ‘IEEE Transactions on Computers’에 게재했다. ‘QUEKO’ 벤치마크는 앞서 오픈 소스로 소프트웨어 저장소 깃허브(GitHub)에 공개됐다.

양자 컴퓨터는 양자 역학을 활용하여 많은 양의 계산을 동시에 수행, 오늘날 최고의 슈퍼 컴퓨터보다 기하급수적으로 더 빠르고 강력하게 만들 수 있다. 그러나 이러한 장치가 연구 실험실에서 나오기 전에 많은 문제를 해결해야 한다.

예를 들어, 양자 회로가 작동하는 방식의 민감한 특성으로 인해 작은 온도 변동과 같은 작은 환경 변화가 양자 계산을 방해할 수 있다. 이를 양자 회로 결어긋남(decoherent)이라고 하며 이런 일이 발생하면 인코딩 정보를 잃어버린다.

더 나은 레이아웃 합성으로 회로 깊이를 지속적으로 절반으로 줄일 수 있다면 양자 장의 결맞음 시간을 두 배로 늘릴 수 있다.

제이슨 콩은 “이 연구는 그 시간을 효과적으로 연장 할 수 있으며 실험 물리학 및 전기 공학의 엄청난 발전”이라며 “우리는 이러한 벤치 마크가 학계와 업계 모두에게 더 나은 레이아웃 합성 도구를 개발하도록 동기를 부여해 양자 컴퓨팅의 발전을 촉진하는 데 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

연구팀은 2000년대 초부터 고전적인 컴퓨터에서 집적 회로 설계를 최적화하기 위해 비슷한 노력을 기울여왔다. 관련 연구에서 최적화 된 레이아웃 설계만을 사용해 컴퓨터 처리 속도를 2세대에 걸쳐 효과적으로 추진, 회로를 구성하는 트랜지스터 간의 거리를 단축했다.

UCLA 양자 과학 및 엔지니어링 센터 마크 규러(Mark Gyure) 총괄 딜렉터에 따르면 기존 양자 프로세서는 환경 간섭으로 수행할 수 있는 계산을 제한했다.

그는 “이번 연구 결과는 지금까지 대부분의 양자 회로 구현이 매우 비효율적일 가능성이 높고 더 최적화 된 회로를 사용하면 훨씬 더 긴 시간 알고리즘을 실행할 수 있음을 보여 주었다…이 분야에서 매우 중요한 발전”이라고 말했다.

*Bochen Tan, Jason Cong. Optimality Study of Existing Quantum Computing Layout Synthesis Tools. IEEE Transactions on Computers, 2020; 1 DOI: 10.1109/TC.2020.3009140