Amazon Braket – 양자 컴퓨팅 서비스 시작하기

Amazon Braket – 양자 컴퓨팅 서비스 시작하기

10여년 전 만우절에 양자 컴퓨팅 클라우드에 관해 쓴적이 있습니다. 그런데, 거짓말 같은 이야기가 현실이 되어서 마침내 양자 알고리즘을 작성하여 실제 양자 컴퓨터에서 실행할 수 있는 기회가 생겼습니다. 오늘 발표할 주제는 바로 진짜 클라우드 기반 양자 컴퓨팅에 관련한 것입니다.

• Amazon Braket – 과학자, 연구원 및 개발자가 한 곳에서 여러가지 양자 하드웨어 제공 업체의 컴퓨터를 실험 할 수 있도록 하는 완전 관리형 서비스입니다. 브라켓 표기법은 일반적으로 양자 역학 상태를 나타내는 데 사용되며 서비스 이름에 영감을 주었습니다.
• 양자 컴퓨팅을 위한 AWS 연구 센터 – 양자 컴퓨팅 하드웨어 및 소프트웨어의 개발을 가속화하기 위해 세계 최고의 퀀텀 컴퓨팅 연구원과 엔지니어를 모으는 캘리포니아 공과 대학 (Caltech)과 함께 하는 연구 센터입니다.
• Amazon Quantum Solutions Lab – AWS 고객을 Amazon의 양자 컴퓨팅 전문가 및 엄선 된 컨설팅 파트너와 연결하는 새로운 프로그램입니다.

양자 컴퓨팅이란 무엇인가?
일반 (클래식) 컴퓨터는 비트 모음을 사용하여 상태를 나타냅니다. 각 비트는 반드시 0 또는 1이며 n 비트가 있는 경우 가능한 상태 수는 2ⁿ입니다. 1 비트는 2 개 상태 중 하나 일 수 있고 2 비트는 4 개 상태 중 하나 일 수 있습니다. 메모리가 1MiB 인 컴퓨터는 CPU 레지스터 및 외부 저장소를 제외하고 2^(8*1048576) 상태입니다. 이것은 대용량이지만, 여전히 유한하며 바로 계산할 수 있습니다.

Quantum 컴퓨터는 qubit 또는 quantum bit로 알려진 보다 정교한 데이터 표현을 사용합니다. 각 큐비 트는 상태 1 또는 0에 존재할 수 있지만 1과 0의 중첩에도 존재할 수 있습니다. 즉, 큐 비트가 동시에 두 상태를 모두 차지합니다. 이러한 상태는 한 쌍의 복소수를 포함하는 2 차원 벡터로 지정되어 무한한 수의 상태를 만듭니다. 각각의 복소수는 확률 진폭이며, 기본적으로 큐 비트가 각각 0 또는 1 일 확률입니다.

고전적인 컴퓨터는 주어진 시간에 그 2ⁿ 상태 중 하나 일 수 있지만, 양자 컴퓨터는 이들 모두를 동시에 점유 할 수 있습니다.

IT에 오랫동안 종사해 온 경험이 있다면 무어의 법칙에 따라 엄지 드라이브에 2 개의 테비 바이트 (이 글을 쓸 때)를 저장하는 메모리 칩을 제조 할 수 있게 되었습니다. 이를 가능하게 하는 물리 화학적 과정은 놀랍고 공부할 가치가 있습니다. 불행히도, 이러한 프로세스는 큐빗을 포함하는 장치의 제조에는 직접 적용되지 않습니다. 이 글을 쓸 때 가장 큰 양자 컴퓨터에는 약 50 큐 비트가 들어 있습니다. 이러한 컴퓨터는 여러 가지 다른 기술을 기반으로 구축되었지만 공통적 인 두 가지 특성이 있는 것 같습니다. 희소하며 신중하게 제어되는 물리적 환경에서 실행해야 합니다.

양자 컴퓨팅의 동작 원리
양자 컴퓨터는 상태 벡터의 진폭을 조작하여 작동합니다. 양자 컴퓨터를 프로그래밍하려면 필요한 큐 비트 수를 파악하여 양자 회로에 연결 한 다음 회로를 실행는 방식입니다. 즉, 회로를 만들 때 정답이 가장 가능성이 높고 나머지는 모두 불가능합니다. 기존 컴퓨터는 부울(on-off) 논리 회로를 사용하고 NOT, OR 및 AND 게이트를 사용하여 구축하는 반면, 양자 컴퓨터는 중첩 및 간섭을 사용하며 새롭고 이국적인 이름 (X, Y, Z, CNOT, Hadamard, Toffoli, 기타 등등)을 사용합니다.

아직 초기 분야인 이 모델은 1980 년대 초에 처음 제안 된 후, 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터에서는 불가능한 양자 기계 시스템의 시뮬레이션을 수행 할 수 있다는 사실을 깨닫게 되었습니다. 양자 컴퓨터는 기계 학습, 선형 대수, 화학, 암호화, 물리 시뮬레이션, 검색 및 최적화를 위한 애플리케이션에 사용할 수 있습니다. 예를 들어, Shor’s Algorithm은 모든 크기의 정수를 효율적으로 인수 분해하는 방법을 보여줍니다 (본 동영상에 좋은 설명이 있습니다).

양자 컴퓨팅의 미래
암호화 방식에 널리 쓰이는 공개 키(Public Key) 암호화 구현은 대용량의 정수 계산을 해야 하므로 꽤 안전합니다. 키 길이에 따라 키를 분해 (및 분해)하는 데 걸리는 시간은 몇 달에서 영원(우주의 예상 수명보다 클 정도)입니다. 그러나, 충분한 큐 비트가 있는 양자 컴퓨터를 사용할 수 있는 경우, 충분히 빠르게 해독 가능합니다. 물론 “충분히”라는 것을 정의하는 것은 블로그 게시물에서 다룰 수 있는 (또는 완전히 이해할 수 있는) 것을 훨씬 능가하는 것으로 밝혀졌으며, 논리적 및 물리적 큐 비트, 노이즈 비율, 오류 수정 등의 차이를 해결합니다.

중간 암호화 및 데이터 보호에 대해 생각할 때, 이 점을 명심하고 후속 양자 암호화에 대해 알아 두는 것이 좋습니다. 현재, 아마존이 개발하는 오픈 소스 암호화 라이브러리인 s2n (TLS / SSL 프로토콜 구현)에는 이미 양자 저항성이 있는 두 가지 키 교환 메커니즘이 포함되어 있습니다. 새로운 암호화 프로토콜이 광범위하게 사용 가능하고 안전하게 사용되는 데 약 10 년이 걸리므로, 대규모 양자 컴퓨터를 사용할 수 있는 시간을 앞당기는 것은 그리 쉬운 일이 아닙니다.

양자 컴퓨팅은 아직 주류가 아니지만 그 시대가 다가오고 있습니다. 고전적으로 해결하기 어렵거나 불가능한 특정 유형의 문제를 해결할 수 있는 매우 강력한 도구입니다. 40 년에서 50 년 안에 많은 응용 프로그램이 퀀텀 컴퓨터에서 실행되는 서비스를 사용하여 부분적으로 공급 될 것입니다. 따라서, GPU 또는 수학 보조 프로세서처럼 생각하는 것이 가장 좋습니다. 단독으로 사용되지는 않으나, 하이브리드 클래식/양자 솔루션의 중요한 부분이 될 것입니다.

이 시점에서 우리의 목표는 적절한 사용 사례를 찾고 테스트와 실험을 수행하기 위해 양자 컴퓨팅에 대해 충분히 알고 있는지 확인하는 것입니다. 우리는 현실에 확고히 뿌리 내린 견고한 기반을 구축하고 여러분과 함께 양자 주도 미래로 나아가고 싶습니다.

이를 위한 저희들의 몇 가지 준비를 좀 더 자세히 살펴 봅니다.  

Amazon Braket
Amazon Braket은 큐 비트 및 양자 회로에 대한 실무 경험을 제공하도록 설계되었습니다. 시뮬레이션 된 환경에서 회로를 구축 및 테스트 한 다음 실제 양자 컴퓨터에서 실행할 수 있습니다.든 수준에서 보안 및 암호화 기능을 갖춘 완전 관리 형 AWS 서비스입니다.

노트북 스타일 인터페이스를 통해 Amazon Braket에 액세스 할 수 있습니다.

다음 Python 코드는 Amazon Braket SDK 하여 한 줄의 코드로 양자 회로를 만들 수 있습니다 (제 동료에 따르면 “Qubit 0과 qubit 1 사이의 최대 얽힌 벨 상태”입니다).

bell = Circuit().h(0).cnot(0, 1)

다르게 실행도 가능합니다.

print(device.run(bell, s3_folder).result().measurement_counts())

고전적인 시뮬레이션 환경 외에도 Amazon Braket는 D-Wave, IonQ, 및 Rigetti의 양자 컴퓨터에 대한 액세스를 제공합니다. 이들 장치에는 몇 가지 공통점이 있습니다. (극초온  환경을 구현하는) 최첨단 기술이며 구축 및 실행 비용이 많이 들며, 열 및 자기 노이즈가 없는 매우 극단적이고 특수한 환경 (과냉각 또는 진공 근처)에서 작동합니다.  즉, 대부분의 조직은 양자 컴퓨터를 직접 구축하기 보다는 클라우드 기반 주문형 모델이 더 적합하다고 말할 수 있습니다. 실제 정식 서비스를 위한 양자 컴퓨터가 최초의 클라우드 전용 기술인 경우도 있습니다.

실제 양자 컴퓨터는 예술 작품이며, 아래는 D-Wave 2000Q의 모습입니다.

Rigetti 16Q Aspen-4입니다.

IonQ linear ion trap의 모습입니다.

AWS Center for Quantum Computing
앞서 언급했듯이, 양자 컴퓨팅은 여전히 매우 초기 분야입니다. 우리가 모르는 부분이 많으며 과학 및 기술 혁신을 위한 충분한 여지가 있습니다.

이러한 연구를 발전 시키기 위해 양자 컴퓨팅을 위한 AWS 센터를 설립하고, 캘리포니아 공대(Caltech) 캠퍼스 옆에 위치한 우리의 목표는 개발을 가속화하기 위해 세계 최고의 인재를 한자리에 모으게 될 것입니다. 언젠가는 양자 컴퓨터를 대량 생산할 수 있는 기술을 연구하는 한편 양자 컴퓨터에서 가장 잘 해결되는 애플리케이션을 식별하기 위해 노력할 것입니다. 이 두 가지 모두 장기적인 과제이며 앞으로 10 년 또는 2 년 동안 진행 상황을 지켜보기를 기대합니다.

Amazon Quantum Solutions Lab
AWS 고객은 Amazon Quantum Solutions Lab을 통해 자체 전문 지식과 컨설팅 파트너의 전문 지식을 활용할 수 있습니다. 저희의 목표는 여러분과 함께 양자 컴퓨팅의 실제적인 용도를 찾고, 수준 높은 양자 컴퓨팅 개발자 팀을 구축하도록 돕는 것입니다.

Quantum Solutions Lab에서 연구 및 협업 기회를 활용할 수도 있습니다.

참고 자료
다음은 유용한 참조 자료 중 일부입니다. 이 중 일부는 조금 어렵지만, 여러분이 살펴 보시면 동향을 파악하는데 도움이 되실 것입니다.

• The Quantum Computing Party Hasn’t Even Started Yet – A very gentle overview of the field.
• Wikipedia – Quantum Computing – A good summary, with lots of links and diagrams.
• How Quantum Computers Break Encryption | Shor’s Algorithm Explained – Helpful video. Skip ahead to 8:03 if you want the TL;DR.
• Quantum Computation and Quantum Information – The definitive (so they say) textbook on the subject.
• Quantum Computing for the Determined – A series of 22 short explanatory videos, starting with The Qubit.
• Quantum Computing for the Very Curious – A long-form article by the author of the preceding videos.
• Quantum Computing Expert Explains One Concept in 5 Levels of Difficulty – Like the title says, quantum computing explained to 5 different people.
• Quantum Supremacy Using a Programmable Supercomputing Processor – An important result, and a major milestone that shows how a quantum computer can outperform a classical one for a particular type of problem. Be sure to read Scott Aaronson’s Supreme Quantum Supremacy FAQ as well.
• This is What a 50-qubit Quantum Computer Looks Like – A stunning photo-essay of IBM’s 50-qubit computer.
• Shtetl-Optimized – Professor Scott Aaronson has been researching, writing, and blogging about quantum computing for a very long time.

— Jeff;

Source: Amazon Braket – 양자 컴퓨팅 서비스 시작하기