Quantum Computing Platform

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영진 강
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1 양자컴퓨팅플랫폼기술 최병수 ETRI 초연결통신연구소초연결원천연구본부양자창의연구실

2 2 목차 Part1: 양자컴퓨팅연구개발배경 Part2: ETRI 양자컴퓨팅플랫폼소개및활용사례 Part3: 국가차원에서의전략 결론

3 3 목차 Part1: 양자컴퓨팅연구개발배경 Part2: ETRI 양자컴퓨팅플랫폼소개및활용사례 Part3: 국가차원에서의전략 결론

양자컴퓨팅연구개발의배경 4 고전컴퓨팅의한계봉착 ( 무어법칙의공식적폐기, ITRS 2016) 포스트무어법칙을실현하기위해서양자컴퓨팅이고려됨 뉴로모픽기법도포스트무어컴퓨팅중하나이지만, 비트기반임 IEEE Spectrum http://www.quantiki.org/wiki/file:shrinkingcomputer.

4 양자컴퓨팅연구개발의배경 4 고전컴퓨팅의한계봉착 ( 무어법칙의공식적폐기, ITRS 2016) 포스트무어법칙을실현하기위해서양자컴퓨팅이고려됨 뉴로모픽기법도포스트무어컴퓨팅중하나이지만, 비트기반임 IEEE Spectrum End of The Road: ITRS had previously predicted that the physical gate length of transistors would shrink until at least 2028 [see blue line]. The last ITRS report shows this feature size going flat in the coming years. But ITRS chair Paolo Gargini says that some further scaling may be possible after transistors go vertical.

양자컴퓨팅이고전컴퓨팅의계산성능한계를돌파하는이유 5 양자중첩특성은 N 개의상태공간을 logn 으로감소 ( 고전컴퓨팅에서지수적메모리공간을요구함 ) 양자간섭특성은 logn 개의간섭계로 N 개의데이터를연산함 양자얽힘특성은공간적으로떨어진데이터간상관관계가능하게함 ( 고전컴퓨팅에서불가능함 ) 양자컴퓨팅은, 고전컴퓨팅에서어렵거나불가능한양자적특성을적극적으로활용함

5 양자컴퓨팅이고전컴퓨팅의계산성능한계를돌파하는이유 5 양자중첩특성은 N 개의상태공간을 logn 으로감소 ( 고전컴퓨팅에서지수적메모리공간을요구함 ) 양자간섭특성은 logn 개의간섭계로 N 개의데이터를연산함 양자얽힘특성은공간적으로떨어진데이터간상관관계가능하게함 ( 고전컴퓨팅에서불가능함 ) 양자컴퓨팅은, 고전컴퓨팅에서어렵거나불가능한양자적특성을적극적으로활용함 하나의큐빗이표현가능한상태가무한대임 무수히많은기저의존재 적은수의큐빗으로많은상태공간을동시에표현함 중첩성 단위조작이전체상태공간의상태를변경시킴 조작의선형성 양자병렬계산성 시공간에서의상관성 양자상관성이시공간에존재, 고전적으로필요한통신이최소화됨 복소수공간에서표현 간섭성 원하는상태의위상은증가, 원하지않는상태의위상은감소, 이러한위상변화가동시에나타남, 확률은위상의제곱

6 임의탐색문제에서의슈퍼컴퓨팅 vs 양자컴퓨팅 슈퍼컴퓨팅은많은메모리와연산노드를병렬사용하며, 병렬성극대화를위해메모리와연산노드가지수적필요 양자컴퓨팅은양자중첩현상등을활용하므로지수적으로적은메모리와연산노드사용 < 예시 : 해결하고자하는문제는탐색대상 4 개에서 f(x) 를만족하는 x 를찾기 > N 개의레지스터 N 개의 F N-1 개의중간노드 ( 크기는 N) F(1) F(2) F(3) F(4) 찾았는지여부및위치 찾았는지여부및위치 Log(N) 개의레지스터 1개의 F 1개의간섭계 ( 크기는 N) 항적크기 q1 q F(1) F(2) F(3) F(4) Log(N) 단계 찾았는지여부및위치해는 3 위치해는 3 총메모리 : N 총연산노드 : N 총간섭 : N 총시간 : Log(N) < 슈퍼컴퓨팅은 Log(N) 의연산시간을갖기위해서는메모리와연산노드가모두지수적으로증가해야함 > 총연산시간과총노드 / 메모리사이에서는지수적관계 지수적 * 로그적 ( 슈퍼컴퓨팅 ) > 다항적 * 다항적 ( 양자컴퓨팅 ) F(1) F(2) F(3) F(4) 총메모리 : log(n) 총연산노드 : 1 총간섭 : N 총시간 : Root(N) < 양자컴퓨팅은 Log(N) 의메모리와연산노드로 Root(N) 의계산성능을달성함 > 로그적시간 Root(N) 반복 총연산시간과총노드 / 메모리사이에서는다항적관계 다항적, 로그적시간 6

7 이론적수준에서의양자컴퓨팅의위력 #1 ( 소인수분해알고리즘, 지수적향상 ) 7 공개키암호체계의대표적사례인 큰수의소인수분해 문제에대한고전과양자접근법의차이 현재 NIST 에서는 RSA 3072 이상권고 현재 NIST 에서는양자컴퓨팅출현이후에도안전한공개키알고리즘공모중 (Post-Quantum Cryptography) Shor Algorithm Classical Best Quantum Computational Supremacy Quantum Best CACM 10,

임의탐색문제의범용적활용가치가매우높아서, 양자컴퓨팅의활용가치도높음 Time 1000000 100000 Grover Algorithm

8 이론적수준에서의양자컴퓨팅의위력 #2 ( 임의데이터베이스탐색, 다항적향상 ) 8 NP-Complete 문제인임의탐색문제의경우, 양자컴퓨팅도지수적성능향상은불가 임의탐색문제의경우, 양자컴퓨팅은다항적 (quadractic) 속도향상효과를가짐 임의탐색문제의범용적활용가치가매우높아서, 양자컴퓨팅의활용가치도높음 Time Grover Algorithm Necessary Time on Classical Computer O N Necessary Time on Quantum Computer 1 Size of Big Data

( 전산학적 ) 계산복잡도측면에서의기대성능 9 양자컴퓨팅은고전컴퓨팅이수행하는모든문제를해결가능

당분간은고전컴퓨팅이비용효율적이지만, 일정시점이지나면양자컴퓨팅이대체 Quantum Region

Polynomial Time Complexity, http://en.wikipedia.

9 ( 전산학적 ) 계산복잡도측면에서의기대성능 9 양자컴퓨팅은고전컴퓨팅이수행하는모든문제를해결가능 양자컴퓨팅구현의초기단계로인한단위계산성능이매우낮음 (Q ALU Operation 하나가몇분소요 ) 당분간은고전컴퓨팅이비용효율적이지만, 일정시점이지나면양자컴퓨팅이대체 Quantum Region Classical Region BQP: Bounded Quantum (Probabilistic) Polynomial Time Complexity, The Largest Class of Efficiently Solvable Problems on the Quantum Machine

10 큐빗기술들 Quantum computers : Article : Nature, T. D. Ladd, F. Jelezko, R. Laflamme, Y. Nakamura 10

11 큐빗의정의 11 Physical support Name Information support 0 1 Polarization encoding Polarization of light Horizontal Vertical Photon Number of photons Fock state Vacuum Single photon state Time-bin encoding Time of arrival Early Late Coherent state of light Squeezed light Quadrature Electrons Amplitude-squeezed s tate Phase-squeezed state Electronic spin Spin Up Down Electron number Charge No electron One electron Nucleus Nuclear spin addressed t hrough NMR Spin Up Down Optical lattices Atomic spin Spin Up Down Josephson junction Singly charged quantum dot pair Superconducting charge qubit Superconducting flux qu bit Superconducting phase qubit Charge Current Uncharged supercond ucting island (Q=0) Clockwise current Charged superconducti ng island (Q=2e, one e xtra Cooper pair) Counterclockwise curre nt Energy Ground state First excited state Electron localization Charge Electron on left dot Electron on right dot Quantum dot Dot spin Spin Down Up

12 12 목차 Part1: 양자컴퓨팅연구개발배경 Part2: ETRI 양자컴퓨팅플랫폼소개및활용사례 Part3: 국가차원에서의전략 결론

13 현재양자컴퓨팅의한계들 (1/3): 아날로그양자컴퓨팅의한계 큐빗은물리적시스템 물리적시스템의에러가급속히악화되어, 연산결과에대한신뢰도가급격히하락 이러한경우, 양자컴퓨팅이매우빠르게동작하더라도연산결과신뢰도가낮아서실제활용가치가없음 따라서, 사용자입장에서는신뢰성이확보되어야함 John Preskill by John Preskill Proc. R. Soc. Lond. A (1998) 454,

14 현재양자컴퓨팅의한계들 (2/3): 특수목적양자컴퓨팅의한계 대상문제에만국한되어사용되는것의한계 (D-Wave 의최적화문제에대한최적화 ) 따라서, 사용자의입장에서다양한활용을위해서는범용성이확보되어야함 QIP 2017 Conference, Keisuke Fujii arxiv:

현재양자컴퓨팅의한계들 (3/3): 특정크기양자컴퓨팅의한계 대상문제는점점더복잡해짐. 따라서, 더많은큐빗이요구됨 대상입력크기는점점더커짐. 따라서, 더많은큐빗이요구됨 따라서, 사용자가원하는수준의문제크기에대해서효과적으로대처하기위해서는확장성이확보되어야함 Time http://nextbigfuture.

15 현재양자컴퓨팅의한계들 (3/3): 특정크기양자컴퓨팅의한계 대상문제는점점더복잡해짐. 따라서, 더많은큐빗이요구됨 대상입력크기는점점더커짐. 따라서, 더많은큐빗이요구됨 따라서, 사용자가원하는수준의문제크기에대해서효과적으로대처하기위해서는확장성이확보되어야함 Time Classical Approaches for Machine Learning, Cryptanalysis, Simulation Quantum Machine Learning Quantum Cryptanalysis Quantum Simulation 10~ ~ ~ Size of Problem 15

16 ( 정리 ) 기대하는양자컴퓨터의기능 / 성능 기능의미요구조건해결하고자하는접근법 신뢰성 한번연산으로충분히높은수준의정확도를갖는연산결과가도출되어야함 해결하고자하는문제의복잡도 / 크기가커짐에따라서연산과정에서조작하는것 ( 예, 게이트및레지스터 ) 의오류값은작아져야함 오류보정을통한큐빗의유효시간늘리기 결함허용게이트조작을통한연산회로의게이트조작의정확도유지 범용성 특수한목적에만국한되지않고다양한활용분야에적용가능함 오류보정, 결함허용적용 임의의알고리즘에대한근사분해과정에서사용되는게이트가구현되어야함 만능게이트의구현 디지털양자컴퓨팅방식의적용 컴파일러를통해서임의의알고리즘을결함허용적으로구현가능한게이트의조합으로분해 H, T, CNOT 게이트가최소집합이므로, 이에대한결함허용적구현이필요함 디지털만능게이트적용 확장성 임의크기의문제를해결할수있어야함 컴퓨팅구동과정에서의복잡도는다항적이어야함 시스템확장의복잡도가다항적이어야함 스케일러블시스템 전반적으로모듈러한접근법이필요 모듈러컴퓨터시스템구조의필요 컴파일과정에서사용되는만능게이트를결함허용적으로구현하는스케일러블집적및제어시스템이요구됨 16

17 원하는양자컴퓨팅모델 : 신뢰성, 확장성, 범용성을갖는양자컴퓨팅모델 17 사용자가원하는임의의알고리즘에서임의의입력크기에대해임의의정확도로연산결과를도출하는모델 Algorithm Circuit, Gates, Qubits Allowable Maximum Error Rate of Qubits and Gates Quantum Error- Correction Code Fault-Tolerant Quantum Computation Methods Physical Error Rates of Qubits and Gates Calculate the Minimum Level of Concatenation or Size of Block Try to map such situation and get the performance (success probability If the success ratio is acceptable Generate the Physical Layout and Pulse Sequences If the success ratio is NOT acceptable, Increase the level of concatenation or choose better building blocks Run the Quantum Device Finally, we can get the physical requirement of device and their relation with the algorithm performance Ex) physical error rate #of physical qubits, time, error rate of algorithm

18 신뢰성, 확장성, 범용성을갖는양자컴퓨팅모델 (2 세대모델 ) 구현방법론 18 사용자가원하는임의의알고리즘에서임의의입력크기에대해임의의정확도로연산결과를도출하는모델 Algorithm Circuit, Gates, Qubits Allowable Maximum Error Rate of Qubits and Gates Quantum Error- Correction Code Fault-Tolerant Quantum Computation Methods Physical Error Rates of Qubits and Gates Calculate the Minimum Level of Concatenation or Size of Block Try to map such situation and get the performance (success probability If the success ratio is acceptable Generate the Physical Layout and Pulse Sequences If the success ratio is NOT acceptable, Increase the level of concatenation or choose better building blocks Run the Quantum Device Finally, we can get the physical requirement of device and their relation with the algorithm performance Ex) physical error rate #of physical qubits, time, error rate of algorithm

19 2 세대디지털양자컴퓨팅을위한주요구성요소들 Current Quantum Computer One algorithm Arbitrary Algorithm Expected Quantum Computer Universality Decomposition Our Platform Compiler Small # Qubits Arbitrary Problem Size Scalability Modular Design System Low Accuracy Arbitrary Accuracy Reliability Quantum Error Correction Codes Building Block

20 ETRI 양자컴퓨팅플랫폼 : 전체개념도 20 알고리즘설계 활용 시스템 알고리즘 / 컴파일부분 알고리즘 ( 프로그램 ) 컴파일및평가 알고리즘개선점들 성능분석결과 시스템부분 알고리즘 ( 어셈블리 ) 시스템매핑및평가 논리적빌딩블럭 오류보정 - 결함허용부분 오류보정 - 결함허용및평가 소자개선점들 논리적빌딩블럭생성몇평가 소자특성정보 소자부분 소자 큐빗기술

21 ETRI 양자컴퓨팅플랫폼 : 전체개념도 컴파일과정 Algorithm Maximum Tolerable Error Rate Compiler Assembly Code System Compiler Decompose each operation of the algorithm into universal set of gates Estimates maximum tolerable error rate ε t = 1/{ (# steps) (# qubits) } 1) QEC Code Physical Qubit Building Block Universal Set of Gates 1) Phy. Rev. A 68, (2003) 21

the maximum tolerable error rate QEC Code Physical

22 ETRI 양자컴퓨팅플랫폼 : 전체개념도 빌딩블럭합성과정 Algorithm Maximum Tolerable Error Rate Compiler System Building Block is a logical qubit with l level concatenated quantum error correction code Satisfies the maximum tolerable error rate QEC Code Physical Qubit Building Block Performance Building Block Logical Qubit Physical Qubits

Tolerable Error Rate Assembly Code System Map the operations according to the

Performance Building Block module Toffoli (target, control1, control2) { H target

23 ETRI 양자컴퓨팅플랫폼 : 전체개념도 전체시스템합성과정 System Algorithm Compiler Estimate execution time and the number of qubits Maximum Tolerable Error Rate Assembly Code System Map the operations according to the physical layout Assembly Code Qubit Layout QEC Code Physical Qubit Building Block Performance Building Block module Toffoli (target, control1, control2) { H target Tdag control1 T control2 T target CNOT control2 control1 CNOT control1 target } Target control2 control1 NULL Building Block (Logical Qubits) 23

24 ( 전체요약 ) ETRI 양자컴퓨팅플랫폼 : 시스템합성과정 + 시스템제어과정 24 System Builder Compiler Arbitrary Building Block Builder Basic Building Block Builder Device Driving Pulse Wave Generator Pulse Generation

25 양자컴퓨팅플랫폼의주요기능 성능평가기능 ( 양자컴퓨터의실용적가치는?) 적절한활용분야 / 문제가필요 현재의슈퍼컴퓨팅대비높은계산성능이입증되어야함 만들기만하면무조건슈퍼컴퓨팅이되는가? 앞서설명되었던양자컴퓨팅구현방법은계산성능측면에서어떠한문제점이있는가? John Preskill Proc. R. Soc. Lond. A (1998) 454,

양자컴퓨팅에대한기대성능 26 이론적으로는, 50 큐빗정도면세계모든슈퍼컴퓨터를합쳐도계산성능이뛰어나야함 42 qubit 43 qubit 44 qubit 45 qubit 46 qubit 47 qubit 2010 2011 2012 2013 2014 2015 http://www.fz-juelich.

26 양자컴퓨팅에대한기대성능 26 이론적으로는, 50 큐빗정도면세계모든슈퍼컴퓨터를합쳐도계산성능이뛰어나야함 42 qubit 43 qubit 44 qubit 45 qubit 46 qubit 47 qubit 따라서, 2010 년엔 42 큐빗이면, 2015 년엔 50 큐빗이면, 2020 년엔 55 큐빗이면당시고전적슈퍼컴보다성능이높다 Year #Qubits Target Circuits Used System Used Memory References Random Benchmark Circuit Knights Landing-based Cori II machine at Lawrence Berkeley National Laboratory 0.5 Petabytes ~40 Universal Stampede 42 Terabytes pdf pdf

양자컴퓨팅의실질적인계산성능에대한예측기술의중요성 27 사용자입장에서 1) 수행하고자하는알고리즘을 2) 어떠한하드웨어기술에서 3) 얼마나큰시스템이필요한지, 얼마나오랜연산이필요한지를사전에파악할수있게해줌 평가항목중요한질문들목적 활용측면 시스템수준 Machine Learning 1 일이내에에볼라바이러스전파경로를분석하려면?

27 양자컴퓨팅의실질적인계산성능에대한예측기술의중요성 27 사용자입장에서 1) 수행하고자하는알고리즘을 2) 어떠한하드웨어기술에서 3) 얼마나큰시스템이필요한지, 얼마나오랜연산이필요한지를사전에파악할수있게해줌 평가항목중요한질문들목적 활용측면 시스템수준 Machine Learning 1 일이내에에볼라바이러스전파경로를분석하려면? (21 세기 ICT 의이상향 ) Hacking of PQC 1 개월내에 NIST RSA 2048 을깨뜨리려면? (PQC 안정성 ) High-Tc Superconductivity 1 주일안에상온초전도의이론적모델을검증하려면? ( 노벨상 ) 물리적시스템 QD SC Optical Ion-Trap 총구동시간하루한시간일주일한달 시스템크기 1m^3 10m^3 20m^3 100m^3 전체전력소모 1KW 10KW 100KW 1MW Running Time 시스템 활용상관성 Time*Space 구현측면 소자수준 큐빗부분 게이트부분 Logical Qubit/Gate 2020 년경 2020 년경 2017 년경 2020 년경 최소큐빗시간 (T 2 *?) 10ms 1s 1day 1hour 어떤게이트가필요한가? (Universal Gates?) 게이트별최소오류율은? (P e?) 초기화용 (Pz) Four 9s Five 9s Six 9s Seven 9s 오류보정용 (Stabilizer) Four 9s Five 9s Six 9s Seven 9s 계산용 (H, CNOT, T) Four 9s Five9s Six 9s Seven 9s 관측용 (Mz) Four 9s Five9s Six 9s Seven 9s 시스템 소자상관성 Error Rate

효용가치가있는입력크기 / 문제범위등에서양자계산우수성이입증되어야함 O(poly) 의함정 : 다항적계산복잡도를이야기하지만, 어느입력크기부터양자컴퓨팅이우수한지는모름 사용자는이론적인아닌실생활에서양자컴퓨팅의계산성능을활용하고자함 실생활에서의미있는입력크기에서양자컴퓨팅의계산성능이충분히확보되어야함

28 효용가치가있는입력크기 / 문제범위등에서양자계산우수성이입증되어야함 O(poly) 의함정 : 다항적계산복잡도를이야기하지만, 어느입력크기부터양자컴퓨팅이우수한지는모름 사용자는이론적인아닌실생활에서양자컴퓨팅의계산성능을활용하고자함 실생활에서의미있는입력크기에서양자컴퓨팅의계산성능이충분히확보되어야함 이론적연구와실제적연구사이에서의괴리를채워주는것이양자컴퓨팅계산성능입증연구의어려운점 Time*Space Improve the Cost Efficiency of Quantum Computing Quantum Algorithm Only for Theory Quantum Algorithm Quantum Algorithm Classical Algorithm Ready to use as Option Ready to Replace Classical Supercomputer Problem Size Good for Classical Practically Interesting Range Good for Quantum Quantum Computing starts to show Quantum Gain under the Practically Interesting Range 28

29 고전슈퍼컴퓨팅의성능을뛰어넘는가장작은양자컴퓨팅스펙은? 1 세대양자컴퓨팅모델에서우선적으로가능성을확인하고자함 ( 연산결과의신뢰도보다는연산이가능함을확인하는것이목적 ) 현재 Quantum Supremacy 라는단어로통칭되며, 고전컴퓨팅의한계를돌파하는상황을입증하는데초점 QIP 2017 Conference, Bravyi and Gosset PRL 116, (2016) 29

30 ETRI 양자컴퓨팅플랫폼주요기능 양자컴퓨팅예상성능정교분석 ( 세계최고 ) Quantum Computing Platform Input Parameters Algorithm QEC Code Physical Qubit Compiler Assembly Code System Building Block Performance Building Block Total Performance 00 level # 000,000 units 0,000 Years 000,000 mm 2 알고리즘, 오류보정, 디바이스정보모두반영 시스템합성까지를반영하여동작시간, 실제크기등에서가장정교함 30

31 사례연구 : 광합성과정에서의 Fe 2 S 2 의역할에대한의문 연산결과의신뢰도가보장되어야하므로, 2 세대양자컴퓨팅모델을고려 충분한정확도를가지면서도슈퍼컴퓨팅보다빠른연산이가능해야함 31

32 Fe 2 S 2 를해석하기위한양자컴퓨팅의최소크기 ( 양자회로수준에서의큐빗수 ) Time Classical Approaches Quantum Simulation (Theoretical Performance) 10~ 100~ ~ (Algo.)Qubits 10000~ 32

양자알고리즘차원에서의성능개선효과 (1/2) http://science.energy.

33 양자알고리즘차원에서의성능개선효과 (1/2) 33

양자알고리즘차원에서의성능개선효과 (2/2) http://www.csm.ornl.

34 양자알고리즘차원에서의성능개선효과 (2/2) 34

ETRI 양자컴퓨팅플랫폼 성능평가기능을이용한상황 GSE Algorithm - Ground State Estimation (GSE) algorithm -

Steane Code 2) - [[7,1,3]] Code - Fault tolerant operations - Transversal: H,CNOT - Non

n interaction) Si Spin Quantum Dot Size 1 1μm 2 Coherence Time (T 2 ) 28 ms 3) Dephasing Time

9% 1), 2) Hypothetical Fidelity 1 10 8 Nature 526, 411 (2015) Total Performance 5 level # 1.

35 ETRI 양자컴퓨팅플랫폼 성능평가기능을이용한상황 GSE Algorithm - Ground State Estimation (GSE) algorithm - Polynomial time to calculate the ground state 1) - # of wavefunction = 40 - Precision = 3 Steane Code 2) - [[7,1,3]] Code - Fault tolerant operations - Transversal: H,CNOT - Non Transversal: T (w/o n.n interaction) 10-8 (w/ n.n interaction) Si Spin Quantum Dot Size 1 1μm 2 Coherence Time (T 2 ) 28 ms 3) Dephasing Time (T 2 ) 120 μs 3) Operation Time ns 3),4) Gate Fidelity 99.9% 1), 2) Hypothetical Fidelity Nature 526, 411 (2015) Total Performance 5 level # qubits Year μm 2 1) Molecular Physics 109, 735 (2011) 2) Sci. Rep. 5, (2016) 3) New J. Phys. 18, (2016) 4) Phys. Rev. X 4, (2014)

36 최종분석결과 36 입력항목 Ground State Estimation Quantum Dot Qubit Technology Steane Code 값및의미 평가대상양자알고리즘 계산과학분야에서많이사용되는 ground state 를계산하는알고리즘 광합성이론검증용 슈퍼컴에서는 m=40 정도주순에서분석가능한것으로파악 평가대상양자소자기술 반도체형큐빗으로써크기가작고집적하기용이함 (RIKEN 과공동연구진행중 ) 기본정보 (RIKEN 제공 ) 크기정보 : Size: 1x1 μm 2 시간정보 : Coherence Time (T 2 ): 28 ms, Dephasing Time (T 2 ): 120 μs, Operation Time: ns 정확도정보 : Gate Fidleity: Infidelity: 평가대상양자오류보정코드, 결함허용방식 코드가유효하기위한임계오류값은 10-8 로추산 ( 최하위논리적큐빗설계에따라서값이상이할수있음 ) Steane code 가요구하는최대허용오류율은 10-8 반면, QD 의오류율은 따라서, 현재의 QD 기술로는오류보정코드가구현되지못함 본연구에서는 QD 가 Steane code 의최대허용오류율값을갖는다는가정하에분석 따라서, 최종성능은낮은편 ( 큐빗의오류율에따른전체성능변화는정교분석은후반부에설명 ) (base methodology) 출력항목 값및의미 1회계산총시간 50,735,667,174,023 year 연산정확도 평균계산시간 50,735,667,174,023 year 시스템크기 m (improved methodology) 출력항목 값및의미 1회계산총시간 380,517,503,805 year 연산정확도 1.0 평균계산시간 380,517,503,805 year 시스템크기 m 2 다른조합들 (3 개의알고리즘 x 3 개의오류보정코드 x 3 개의하드웨어기술 ) 에서의비용효율성향상효과에대한분석은현재진행중. 다만, 분석과정에서의소요시간이큰관계로모든데이터를추출하는데는상당한시간이소요될예정

37 기대치와현실치사이의괴리 E+26 1.E+24 1.E+22 1.E+20 #steps 1.E+18 1.E+16 1.E 분석결과 GSE 문제 : 주어진 M개의양자다체계가갖는가장낮은에너지상태확인문제 복잡도 : 고전적으로는지수적, 양자적으로는다항적 ( 위상추출방법에기반 ) 고전슈퍼컴의최대처리입력크기 : M=208 양자컴퓨터평가환경 정확도는 9비트 물리적양자정보소자의에러율 : Perror=1.0E-6 사용된컴파일방식 : SK알고리즘 사용된컴퓨터구조 : 2D 배치방식 사용된결함허용방식 : Steane Code, Magic State based Non-Transversal T gate FTQC Level - Steane with FT T System Level - Steane FTQC Level - Steane Critical Path-M-De Critical Path-M-NoDe 1Gz 동작시 10^13 년선 분석결과 1Gz 동작시 278 시간 (12 일 ) 선 1.E+12 1.E+10 1.E+08 1Gz 동작시 1 초시간선 1.E+06 1.E M M=64 M= M=208 37

38 38 목차 Part1: 양자컴퓨팅연구개발배경 Part2: ETRI 양자컴퓨팅플랫폼소개및활용사례 Part3: 국가차원에서의전략 결론

/ 패키징이요구됨 아래그림오른쪽 ) Level 5 수준으로전영역에서새로운접근이요구됨 IEEE Computer 48(12), 14-23,

39 39 양자컴퓨팅실현의어려움 (1/3) 새로운 양자컴퓨팅은소자, 컴퓨터구조양자정보실현소자, 알고리즘, 양자병렬성, 프로그래밍등의 ( 중첩, 간섭, 얽힘 ) 환경이활용알고리즘요구됨, 이를지원하는컴퓨터명령어등대부분영역에서연구개발필요 아래그림왼쪽 ) 새로운장치와새로운구조 / 패키징이요구됨 아래그림오른쪽 ) Level 5 수준으로전영역에서새로운접근이요구됨 IEEE Computer 48(12), 14-23, December

양자컴퓨팅실현의어려움 (2/3) 가장하단부부터가장상단부까지의기술적상호연계성 상호간연결관계지향형접근필요

Healthcare Self Education Finance Security Android Smart Phone IOS

Processing System Computational Science & Engineering Healthcare

Quantum Cloud Computing Virtualized, Distributed, Secured,

Scheduler Optimizer ETC Quantum Components for Distributed

Concatenated Codes Surface Codes Toric Codes Quantum Computer

40 양자컴퓨팅실현의어려움 (2/3) 가장하단부부터가장상단부까지의기술적상호연계성 상호간연결관계지향형접근필요 기본적으로는클라우드형태에서양자컴퓨팅서비스가제공될예정 클라우드입장에서의접근필요 Embedded System Healthcare Self Education Finance Security Android Smart Phone IOS Bio Checking Terminals Business System National Information Processing System Computational Science & Engineering Healthcare Transportation Other Applications Cloud System Classical and Quantum Cloud Computing Virtualized, Distributed, Secured, Extreme-Scaled Computation Quantum System Software Compiler Scheduler Optimizer ETC Quantum Components for Distributed Multi-Node System Datapath Memory CPU Bus Adder QFT Mult/Div Concatenated Codes Surface Codes Toric Codes Quantum Computer System H H U Adiabatic H H U time time time Cellular Ion-Trap Optical Superconducting NMR Quantum-Dot Cavity-QED Atom Others 40

41 양자컴퓨팅실현의어려움 (3/3) 양자역학, 양자소자범위에서는기초적인실험, 개념 / 이론증명 양자과학이면충분? 양자센서에서는정보의수집및표현 상품화하기위해서는? 양자통신에서는정보의전달 인터넷의필요성 양자컴퓨팅에서는정보의저장및처리 모든구성요소에서의변화필요 Q AI System Q Enigma 인공지능 양자컴퓨팅 계산학습 양자빅데이터양자컴퓨터구조 Q Machine Learning 양자컴퓨팅 양자프로그래밍어셈블리코드 알고리즘양자연산회로 보안연산보안DB Q Simulator 만능연산을위한만능게이트계산용결함허용 양자버스 양자센서 보안통신 Q Internet 리피터양자메모리 Non-Clifford Gates Clifford Gates QKD 큐빗정의 Q Clock 양자소자 Q Metrology 양자통신 고정형큐빗 이동형큐빗 제어신호 초기화 게이트 변환관측 Q Mechanics Q GPS Q Imaging 양자-> 고전통신용결함허용양자-> 양자이동형큐빗위주 인터페이스 인터페이스 최종목표현재주요활용구성요소들 41

양자슈퍼컴퓨팅달성의어려움 (1/2) 42 결함허용적용과정에서상당량의큐빗과게이트를추가로사횽해야함 (SW) 더좋은오류보정, 결함허용방식이제안되어야함

Gates, Qubits Quantum Error-Correction Code and its Fault-Tolerant Quantum

Value] Pe Highest Physical Error Rate [Physical Error Rate] Gates Overhead P P e

42 양자슈퍼컴퓨팅달성의어려움 (1/2) 42 결함허용적용과정에서상당량의큐빗과게이트를추가로사횽해야함 (SW) 더좋은오류보정, 결함허용방식이제안되어야함 (HW) 하드웨어의물리적오류값을계속적으로감소시켜야함 ( 큐빗엔지니어링의중요성 ) Algorithm and Input Size Circuit, Gates, Qubits Quantum Error-Correction Code and its Fault-Tolerant Quantum Computation Protocols [[n, k, d]] Physical Error Rates of Qubits and Gates Palgo Tolerable Error Rate of Algo. [1/(Qubits*Gates)] Pth Highest Tolerable Error Rate of Code [Accuracy Threshold Value] Pe Highest Physical Error Rate [Physical Error Rate] Gates Overhead P P e th 2 level Palgo Average Number of Gates for Non-Transversal T gate on Bacon-Shor Code Overhead P th # Qubits Overhead Overhead AlgoQubits n level

양자슈퍼컴퓨팅달성의어려움 (2/2) process data resource Hierarchical Structure of Overhead High-Level Compiler Algorithm Code Intermediate Code Low-Level Compiler (Synthesizer/Decomposer) Assembly Code with

43 양자슈퍼컴퓨팅달성의어려움 (2/2) process data resource Hierarchical Structure of Overhead High-Level Compiler Algorithm Code Intermediate Code Low-Level Compiler (Synthesizer/Decomposer) Assembly Code with Universal Fault-Tolerant Implementable Gates only Microarchitectural Mapping and Scheduling Microarchitecture Specific Layout and Scheduling Decompose the module/tiles into lower levels until L1 level tiles Gate sequence at L1 level tiles MCL decomposition of L1 level tiles PMD specific MCL sequence Decomposition of Reversivle Arithmetic circuits Reversible decomposition constraints? Decomposition of Arbitrary Single-qubit gate? Necessary concatenation levels QEC/FTQC constraints Communication constraints Mapping Sequence with Qubit TILE Lib.? Flatten the Highest Level TILE into the Lowest Level TILE? Map the Lowest Level TILE into Machine Control Sequence? Gap between Theory and Practice 43

연구개발접근전략 (1/3) 개방형연구의중요성 44 집단지성을통해서효율적인전략적접근이우선되어야함 긴전략수립, 큰방향성유지 vs 성급한전략수립, 많은시행차오 국내연구진들로만?? vs 글로벌연구진들의참여 글로벌경쟁 / 협력 / 생태계선점을위해선글로벌협력관계활용이중요 In 1946, John Mauchly and J.

44 연구개발접근전략 (1/3) 개방형연구의중요성 44 집단지성을통해서효율적인전략적접근이우선되어야함 긴전략수립, 큰방향성유지 vs 성급한전략수립, 많은시행차오 국내연구진들로만?? vs 글로벌연구진들의참여 글로벌경쟁 / 협력 / 생태계선점을위해선글로벌협력관계활용이중요 In 1946, John Mauchly and J. Presper Eckert completed the development of the ENIAC, the world's first publicly announced digital computer. Yet it was still essentially a prototype. It wouldn't be till 1952, when the pair debuted the UNIVAC during the Presidential election, that computers became commercially available. That was a triumph for Remington Rand, which backed the machine, but a disaster for IBM, which dominated the earlier tabulating machine technology. It took the company nearly a decade to regain leadership with its System/360 line of computers that cost $5 billion to develop (or about $40 billion in today's dollars). We're now entering a similar transition period. With Moore's Law soon coming to an end, the race is on to see who dominates the next phase of computing. IBM is determined not to be caught off guard again. This time, rather than developing its new technology in relative secrecy, it's accelerating progress by giving the public early access to its prototype quantum computer.

45 연구개발접근전략 (2/3) 마일스톤달성형연구의중요성 물리적큐빗유효시간 [ 논리적큐빗유효시간 ] ( 실행가능한게이트의수 ) 10^5 [10^20] 100 개의논리적큐빗을갖는양자슈퍼컴을만든다고하면, 현재로써는대략 개의물리적큐빗이요구됨 고전슈퍼컴을뛰어넘기위해서는큐빗의유효시간동안수행가능한논리적게이트도 10^10 정도는되어야함 방향성 3: 유효시간중심으로의성능증가 적은규모의기계학습 10^3 [10^10] 적은규모의암호해독 중간규모의암호해독 물리적큐빗유효시간의임계값 10^2 [1] 논리적큐빗의구현시작 대규모의시뮬레이션중간규모의시뮬레이션적은규모의시뮬레이션 방향성 2: 큐빗수와유효시간의동시증가 적은규모의기계학습 중간규모의기계학습 대규모의기계학습 10 적은규모의암호해독 중간규모의암호해독 대규모의암호해독 현재상태 적은규모의시뮬레이션 중간규모의시뮬레이션 대규모의시뮬레이션 방향성 1: 큐빗수중심으로의성능증가 [1] 1000 [10] 10000[100] 물리적큐빗수의임계값 물리적큐빗수 [ 논리적큐빗수 ] 45

46 연구개발접근전략 (3/3) 빠른추격 vs 느린개척? <2016 년도양자컴퓨팅특허전략보고서 > 내용참조 활용계층 (AC) 시스템계층 (AB) 범용기술 (AD) - 추격형연구 ( 논문용이 ) ( 사업화어려움 ) - 개척형연구 ( 논문어려움 ) ( 사업화용이 ) 빌딩블럭계층 (AA)

47 47 목차 Part1: 양자컴퓨팅연구개발배경 Part2: ETRI 양자컴퓨팅플랫폼소개및활용사례 Part3: 국가차원에서의전략 결론

48 요점정리 (1/4) 48 양자컴퓨팅이왜빠른가? 양자역학적특성들 ( 중첩, 간섭, 얽힘등 ) 이비트에서는구현 불가능한것들을매우간단하게해결할수있도록함 현재컴퓨팅방식이해결할수있는모든문제를양자컴퓨팅 에서도해결가능함 현재컴퓨팅방식이해결하기어려운다수의문제들 ( 탐색, 최적화등 ) 을매우효과적으로해결할수있도록함

49 요점정리 (2/4) 49 신뢰성, 범용성, 확장성을갖는양자컴퓨팅모델 (2세대양자컴퓨팅모델 ) 이필요한이유와현재까지의방법론 아날로그는오류에민감하여, 연산결과신뢰도가낮음 (D-Wave 시스템들 ) 오류보정, 결함허용을적용한디지털빌딩블럭기반의디지털양자컴퓨팅이필요함 특수목적맞춤형양자정보처리시스템 (Anealer, Boson Sampler, etc) 으로는만 능연산을하기어려움 만능게이트적용을위한컴파일및범용시스템합성방식이필요함 특수크기한정형시스템 (NMR etc) 은처리가능한문제에한계 빌딩블럭내부에서는특수크기한정형이라하더라도, 빌딩블럭의모듈러조 합을적용한시스템수준의확장성이필요함

50 요점정리 (3/4) 50 ETRI 양자컴퓨팅플랫폼의현재수준및향후계획 목표 1단계 (~2020) : 2세대양자컴퓨팅플랫폼구축 2단계 (~2025) : 양자슈퍼컴퓨팅시스템구축 (KISTI 7호기급 ) 3단계 : ~2030, ~2035 ( 현재수준 ) ( 프로그래밍및구동측면 ) 프로그래밍부터하드웨어제어신호생성까지의일관된제어흐름구현완료 ( 설계및평가측면 ) 사용자가원하는알고리즘, 오류보정, 하드웨어기술에따른양자컴퓨팅의예상성능분석능력확보 ( 빌딩블럭확보측면 ) 디지털블록의유효성검증기능확보

51 요점정리 (4/4) 국가차원의양자컴퓨팅연구개발전략필요성 주요목표 21세기양자정보기반 ICT( 양자ICT) 핵심인프라국제경쟁력확보 인력양성 ( 학 )-원천기술개발( 연 )-사업화( 산 ) 의선순환강화필요 강점을갖는분야 + 원천 활용과정의통합적접근필요 주요전략 바텀업 + 탑다운통합전략필요 과학 + 공학통합접근필요 연구개발, 시장개발참여자의다변화필요 개방형연구개발의필요 국제적협력연구개발의필요 51

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김기남_ATDC2016_160620_[키노트].key metatron Enterprise Big Data SKT Metatron/Big Data Big Data Big Data... metatron Ready to Enterprise Big Data Big Data Big Data Big Data?? Data Raw. CRM SCM MES TCO Data & Store & Processing Computational