[📪정보] 구글 양자우위에 대한 전문적인 해설

[익명(59.14)]

4. 구글이 한 것

구글은 이번에 superconducting qubit으로 53 qubit의 (54 qubit이지만 하나는 망가졌다고 합니다) Sycamore라는 프로세서를 제작하였습니다. 실제로는 142개이지만, 그중 88개는 tunable coupler로 사용되었습니다. Tunable coupler는 두 qubit 사이의 coupling을 켜고 꺼주는 장치인데요, 2-qubit gate를 사용하고 싶을 때만 coupling을 켜주고 싶어서 넣는 것입니다. 그렇지 않으면 error의 원인이 되기 때문이지요.

구글은 이 프로세서로 'Quantum Supremacy'를 보이고자 했습니다. 이를 위해서는 문제를 잘 정의해야 했죠. 구글은 매우 얍삽한 문제를 골랐습니다. 바로 'Quantum Random Number Generator'의 결과를 sampling하여 true random number generator인지 pseudo random number generator인지 평가하는 문제입니다. 문제의 정의 자체가 양자 시스템을 시뮬레이션하는 것이라 양자컴퓨터에 유리할 뿐만 아니라, 답을 찾는 문제가 아닌 '평가'의 문제였기 때문에 특정 메트릭 하나만을 잘 평가할 수 있으면 되는 문제였습니다. 솔직히 IBM이 약오를 만도 한 문제였죠.

주어진 난수 생성기가 얼마나 랜덤한지 평가하는 메트릭은 cross-entropy benchmarking fidelity로 주어집니다. F = 2^n

- 1로 정의되는데요, 간단히 말해서 우리가 샘플링한 샘플들의 확률이 모두 1/2^n, 그러니까 uniform distribution에 가까울수록 0에 가가운 결과를 얻게 되는 겁니다. 만약 난수 생성기가 완벽하다면 F는 0의 값을 가질 것이고, 구글이 가정한 exponential distribution의 난수 생성기 모델에서는 F값이 1에 가까울수록 난수 생성기의 결과 분포를 잘 파악한 것이 됩니다. 다르게 설명하자면, 주어진 난수 생성기의 분포를 간단한 메트릭으로 검증하는 문제에 해당합니다.

구글은 한 번의 output을 뽑기 위해 430개의 2-qubit gate와 1,115개의 single-qubit gate를 적용하였습니다. 각각의 오류는 (하나만일 때 ~ 동시에 여러 군데서 할 때) 0.36 ~ 0.62 %, 0.15 ~ 0.16%였으며, 측정 오류는 3.1 ~ 3.8% 였습니다. 이륿 바탕으로 F값을 추정하면 0.2% 가량입니다. 결국 문제는 classical computer가 0.2%보다 높은 fidelity를 얻는 데에 걸리는 시간보다 훨씬 빠르게 fidelity를 평가하는 것이었습니다.

0.2%의 정확도라면, 이를 통계적으로 유의미하게 얻기 위한 필요한 측정의 수는 3000만 번 정도이며, 10 us의 계산 시간을 가정할 때 대략 300초 정도 안에 계산이 가능하다는 결론이 나옵니다. 구글은 실제로 오로지 sampling만을 통하여 200초 안에 F를 0.2%로 평가할 수 있음을 증명했습니다.

그렇다면 classical computer가 이 문제를 푸는 데에는 얼마나 오랜 시간이 걸릴까요? 일단 기본적으로 양자 난수 생성기에 관한 문제이니 양자역학 시뮬레이터를 만들어야 합니다. 이 경우 양자 상태 하나를 저장하는 데에, 53 qubit이니까 2^53개의 복소수가 필요합니다. 2^ 50 Byte가 1 Peta Byte임을 고려해보면 효율적인 메모리 절약 방식이 없다면 저장만으로도 어렵습니다. 이런 경우에는 Schrodinger-Feynman simulatior 같이 양자 상태를 분리하여 시뮬레이션을 하거나, Tensor network 같은 메모리 절약 방식을 사용하여야 합니다. 그럼에도 불구하고 complexity 자체는 exponential하기 때문에, 근본적으로 메모리 측면에서의 한계를 time에 조금 덜어주었을 뿐인 결과가 도출됩니다.

물론 모든 양자 회로가 시뮬레이션하기 어려운 것은 아닙니다. 이 시뮬레이션을 어렵게 하는 것은 entanglement 때문인데요, 구글은 이 문제가 자신들의 슈퍼컴퓨터로 10,000년 정도가 걸릴 것이라는 예측을 제시하였고, 이것이 받아들여져 quantum supremacy를 증명하게 되었습니다. 특히나, qubit의 수나 circuit depth에 따라 exponential하게 증가한다는 부분도 있었기에 quantum supremacy를 부정할 여지는 크지 않아보입니다. 비교 대상이 10000년이라 그렇지 2.5일과 200초의 차이도 너무 큽니다.

사실 quantum supremacy를 증명한 것 자체보다도 이 문제를 푸는 과정 자체가 주는 의의가 훨씬 큽니다. 2-qubit gate의 안정적인 적용, 53-qubit급 프로세서를 로직 수준의 에러 없이 동작할 수 있음, nearest-neighbor coupling을 모두 구현하여 universality를 확보함, frequency tuning 및 tunable coupler를 이용하여 in-situ calibration을 가능하게 함, 최초로 문제를 처음부터 끝까지 풂, FPGA를 이용한 readout의 효율적인 처리 등 실험적으로 매우 다양한 디테일이 있었습니다. Transmon이 개발된 후 대략 10년 동안의 모든 연구를 집약한 결과로, 양자컴퓨터 개발이 느려보이는 것이 기술의 한계 때문이 아닌 투자와 관심의 한계였다는 것을 정확히 보여주는 사례가 된 것입니다.


5. IBM의 비판?

구글의 논문은 이미 8월에 나사 웹페이지를 통해 유출되었습니다. 이게 의도된 것인지는 모르겠지만, 구글의 가장 강력한 라이벌인 IBM은 이때부터 사실이 아닐 것이라며 회의적인 블로그 포스팅 및 트위터(...)를 날리기 시작했습니다. 그리고 네이처에 논문에 게재되기 이틀 전, 공식 홈페이지에 블로그포스트를 올리면서 자신들의 슈퍼컴퓨터로 2.5일이면 계산 가능하다! 라며 반격에 나섰죠.

하지만 그들의 주장에는 문제가 있는 듯합니다. 2.5일이라는 계산의 전제는 본인들의 슈퍼컴퓨터가 53 qubit 상태를 분리하지 않고 저장할 수 있을 정도로 크다는 것이었는데, 그렇다면 결국 'exponential memory가 주어진다면 time은 linear하다!' 같은 주장을 하는 꼴입니다. 이들의 주장을 그대로 70 qubit짜리 프로세서와 비교하는 것에 대응시키자면, '뉴욕 크기의 슈퍼컴퓨터가 있다면 일주일 안에 문제를 풀 수 있다!' 같은 것이 되고 맙니다.

IBM이 의도적으로 논란을 만들고자 이런식의 주장을 펼친 것인지는 몰라도, IBM은 그간 대외적으로 양자컴퓨터 개발에 대해 매우 크게 홍보하며 자부심과 선점 효과를 톡톡히 누리고자 했기에 이번 사태에 매우 민감할 수밖에 없었을 겁니다. 마침 사안이 큰 논란으로 번질 것을 우려한 것인지, Nature는 정기 발행 시기도 아닌데 구글의 논문을 게재하였습니다. 결국 학술적으로는 구글의 주장이 맞다는 것이 중론인 것이지요. 여전히 학술지와 유투브 설명을 제외하고는 공개적인 표현이 없는 구글의 시크한 승리가 점쳐지는 분위기입니다.

6. 앞으로의 Milestone과 전망

구글이 아무리 이런 결과를 냈다고 하더라도 이는 첫 발걸음일 뿐입니다. 아직 고작 0.2%에 불과한 fidelity를 현실적인 값으로 끌어올리려면 Three-9 fidelity를 지니는 quantum gate를 만들어야 하고, 이를 바탕으로 quantum error-correcting code를 구현하여야 합니다. 양자컴퓨터는 에러를 정정할 수 없다고 했지만, 다른 추가적인 qubit에 decoherence를 몰아버리거나 특정 coding scheme을 활용하여 오류를 정정할 수 있습니다. 그 대표적인 방법으로 surface code라는 것이 있는데요, 위상수학적인 원리를 이용하여 'logical qubit'을 만들고 보호하는 방식입니다. 이번에 구글이 사용한 geometry도 이 surface code를 염두에 두고 제작한 것이지요.

Error correcing code를 사용하면 오류 확률을 임의로 낮게 만들 수 있음이 증명되어 있습니다. 하지만 이를 위해서는 logical qubit 하나를 encoding하기 위해 1000개 이상의 물리적 qubit이 필요하다는 예측이 중론입니다. 이러한 scability를 위해서는 초전도 회로의 defect와 loss에 관한 보다 심도 있는 연구가 필요하며, quasiparticle이나 kinetic inductance 등에 대한 연구가 필요합니다. 또한, qubit의 수가 많아지는 만큼 coupling의 거리가 멀어지고 높은 degree of freedom이 필요하기 때문에 long-range coupling에 대한 연구가 필요합니다. Frequency crowding, crosstalk 등의 공학적인 문제를 차치하고라도 매우 많은 연구 주제들이 남아 있죠.

John Preskill 교수는 현재를 NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum) era라고 지칭하며 100개 안팎의 qubit으로 무엇을 해야할지 고민해야 한다고 했습니다. 그런데 구글이 벌써 무언가 해버려서 앞으로 개발이 가속화 될 것이라는 긍정적인 기대를 할 수 있게 되었습니다. 다음 milestone은, google이 surface code를 언급한 것에서 알 수 있듯이 error correcting code를 실험적으로 보여주는 것일 겁니다. 양자컴퓨팅 분야에서도 Moore's law에 해당하는 법칙이 나올 것인지, 상당히 기대가 됩니다.

1. Frank Arute et al, Quantum supremacy using a programmable superconducting processor, Nature, 2019
2. Barends et al, Nature, 2014
3. John Preskill's Blog
4. IBM's Blogpost: https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/

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스누라이프 펌이래

결론

1. 구글이 얍삽하게 문제를 고르긴했지만 양자 우위인것은 맞다

2. IBM이 주장하는 2.5일은 궤변일 확률이 높다

3. 앞으로 공학적 과제들이 매우 산적해있지만 거대한 발명인것은 맞다

[익명(223.62)]

양자에 대해서 잘 이해하는건 아니지만 양자 결어긋남을 극복하는 방법이 신박하네.. 결 어긋남을 한쪽에 몰아준다는건 어찌하는건지 감도 안온다

[익명(155.230)]

좋은글인데 영어가 너무 많아용 제가 멍청해서 읽기힘들다는