양자 회로 최적화를 위한 중간회로측정과 큐비트 재사용의 효율성에 대한 연구 (A Case Study on the Effects of Mid-Circuit Measurements and Qubit Reuse for Quantum Circuit Optimization)

서지정보

· 발행기관 : 사단법인 한국융합기술연구학회
· 수록지 정보 : 아시아태평양융합연구교류논문지 / 11권 / 2호 / 583 ~ 595페이지
· 저자명 : 민상원, 이정수

초록

양자 컴퓨팅의 성능을 최적화하기 위해서는 회로의 복잡성을 줄이고 자원 비용을 최소화하는 것이 필수적이다. 특히, 반복 작업이 많은 알고리즘에서는 중간회로측정과 큐비트 재사용 기법이 보조 큐비트 수를 줄이는 데 매우 효과적이다. 본 연구에서는 반복 작업이 많은 양자 리플 캐리 가산기(Quantum Ripple Carry Adder)를 사례로 들어, 중간회로측정과 큐비트 재사용 기법을 적용했을 때 회로 성능이 어떻게 변화하는지 분석하였다. 이를 위해 QRCA 회로에 해당 기법을 적용한 후, 크기, 깊이, 보조 큐비트 수 측면에서 회로 성능을 비교 분석하였다. 실험 결과, 기존의 QRCA 회로에서는 입력 크기에 따라 보조 큐비트의 수가 증가했지만, 중간회로측정과 큐비트 재사용 기법을 적용한 회로에서는 보조 큐비트의 수가 O(n)에서 O(1)로 감소함을 확인할 수 있었다. 그러나 보조 큐비트 수가 감소함에 따라 회로 깊이와 크기 또한 증가하는 경향이 나타났다. 이러한 결과는 큐비트 수, 깊이, 크기 간의 절충을 종합적으로 고려하여 최적의 회로 설계를 선택해야 함을 시사한다. 본 연구는 제한된 큐비트 수를 최대한 활용해야 하는 알고리즘에서 중간회로측정과 큐비트 재사용 기법을 적절히 활용하여 최적화된 양자 회로를 구현하는 데 기여하고자 한다.

영어초록

To optimize quantum computing performance, it is essential to reduce circuit complexity and minimize resource costs. In particular, mid-circuit measurement and qubit reuse techniques are highly effective in reducing the number of ancillary qubits in algorithms with repetitive operations. This study analyzes how the application of mid-circuit measurement and qubit reuse techniques affects circuit performance, using the Quantum Ripple Carry Adder (QRCA) as an example, which involves numerous repetitive tasks. For this purpose, the QRCA circuit was evaluated in terms of size, depth, and the number of ancillary qubits after applying these techniques. Experimental results showed that in conventional QRCA circuits, the number of ancillary qubits increases with the input size. However, when mid-circuit measurement and qubit reuse techniques were applied, the number of ancillary qubits remained fixed, effectively reducing from O(n) to O(1). Nonetheless, it was observed that this reduction in ancillary qubits increased circuit depth and size. These findings suggest a trade-off between qubit count, circuit depth, and size must be comprehensively considered to select the optimal circuit design. This research aims to contribute to the efficient implementation of optimized quantum circuits by appropriately utilizing mid-circuit measurement and qubit reuse techniques in algorithms that require maximum utilization of limited qubit resources.

참고자료

· 없음