양자 컴퓨팅은 양자의 물리적인 특성을 이용하여 수학적인 연산 알고리즘을 개발하고 이를 구현하는 새로운 컴퓨팅 패러다임입니다. 특히 양자 컴퓨팅은 최근 Google, IBM, Amazon, Intel, Microsoft, NVIDIA 등의 해외 유명 기업에서도 매우 활발히 연구를 하고 있는 분야이며, 멀지 않은 미래에 양자 우위를 바탕으로 실 생활에 적용될 수 있는 결과가 나올 것으로 기대하고 있습니다.  본 연구는 이러한 양자 컴퓨팅의 실용적인 활용을 위하여 양자 게이트 및 양자 노이즈를 모델링하는 시뮬레이터의 구현 및 그 성능 향상이 주요 내용입니다. 양자 시뮬레이션의 방대한 연산량을 빠르게 처리하기 위하여 분산 GPU환경을 활용하고, 병렬 처리를 주요 연구 내용으로 진행하고자 합니다.

이러한 양자 컴퓨팅 시뮬레이터를 활용하면, 매번 실제 양자 머신을 사용할 필요없이 개발하는 양자 회로를 일반 컴퓨터에서 테스트 해볼 수 있습니다. 아직까지는 양자 머신의 사용이 상당히 제한적이므로, 시행착오 및 수정이 반복적으로 일어나는 알고리즘 개발 과정에서 시뮬레이터의 사용은 필수적이라고 생각합니다. 또한, 컴파일러와 같이 관련 소프트웨어를 개발하고 양자를 매핑하는 경우에도 매번 실제 머신을 통한 확인 과정을 거치는 것 보다, 시뮬레이터를 이용하는 방법이 더 효율적입니다.
 

이러한 양자 시뮬레이터를 개발하기 위해 본 과제에서는 세 가지 세부 연구주제를 정하고 진행할 예정입니다. 먼저 GPU 내부의 마이크로아키텍쳐를 고려한 시뮬레이터 성능 향상에 초점을 맞추어 연구를 진행할 예정입니다. 두번째로 다중 노드 환경에서 다수의 GPU를 활용하여 시뮬레이션 속도를 향상시키고자 합니다.  다수의 GPU를 사용할 시 메모리 분배 및 효율적 연산에 관한 연구와 이와 관련한 동기화 문제를 집중적으로 연구할 예정입니다. 세번째 연구에서는 연산 오류를 줄이기 위한 양자 할당 기법을 개발하고자 합니다.  이는 양자의 물리적 매핑에 대한 연구로 시뮬레이터를 활용하여 에러에 민감한 현대 양자 컴퓨팅에 적용 가능한 할당 기법을 개발하고자 합니다.

얼마전 GPU 전문 기업으로 유명한 NVIDIA에서는 GTC 21행사를 통하여 자체적으로 양자 컴퓨팅 시뮬레이터를 개발 중이라고 발표하고 GPU에서 사용할 수 있는 cuQuantum이라는 SDK를 공개하였습니다. 본 연구와 그 지향하는 목표가 같은 연구로 GPU를 활용한 양자 컴퓨팅 시뮬레이션 연구의 중요성을 보여 주는 좋은 예라고 생각할 수 있습니다. 본 연구 과제를 통하여 해당 기술을 세계적으로 선도할 수 있는 결과를 산출 한다면, 양자 컴퓨팅의 실제 시스템 적용이라는 측면에서 향후 다른 연구에 미치는 영향이 매우 클 것으로 예상하고 있습니다.