존드 양자 아키텍처를 위한 재사용 인식 컴파일러 ZAC

초록

본 논문은 중성 원자 기반 양자 컴퓨터의 저장·엔탱글먼트·읽기 영역으로 구분되는 ‘존드’ 구조에 최적화된 컴파일러 ZAC를 제안한다. ZAC는 엔탱글먼트 구역에 남아 있는 큐비트를 재사용함으로써 영역 간 이동을 최소화하고, 비용 함수 기반 배치와 다중 AOD 장치를 활용한 부하 균형 스케줄링을 도입한다. 평가 결과, ZAC를 적용한 존드 아키텍처는 단일 구역(모노리식) 대비 22배 높은 연산 충실도를 달성했으며, 이상적인 최적해와도 평균 10% 수준의 충실도 차이만 보였다.

상세 분석

ZAC는 중성 원자 양자 시스템에서 흔히 발생하는 ‘사이드 이펙트 노이즈’를 근본적으로 감소시키는 존드 아키텍처를 전제로 설계되었다. 기존 모노리식 설계에서는 전역 Rydberg 레이저가 전체 트랩을 동시에 조사해 유휴 큐비트까지 흥분시키는 문제가 있었지만, ZAC는 저장 구역과 엔탱글먼트 구역을 명확히 구분하고, 필요 시에만 큐비트를 이동시켜 레이저 노출을 최소화한다. 핵심 기술은 ‘재사용 인식 배치’이다. ZAC는 다음 Rydberg 단계에서 동일한 큐비트가 다시 사용될 경우, 해당 큐비트를 엔탱글먼트 구역에 그대로 남겨두어 이동 비용과 원자 전이 오류를 크게 줄인다. 이를 위해 배치 단계에서 비용 함수를 설계했는데, 단순히 게이트 간 거리 합을 최소화하는 것이 아니라, 실제 이동 거리와 동시에 수행 가능한 병렬 이동을 고려한 ‘이동 지속시간 추정’ 모델을 사용한다. 또한, 현재 단계뿐 아니라 미래 단계까지 예측하는 ‘룩어헤드 비용’도 포함해 전체 회로에 걸친 이동 오버헤드를 최소화한다.

스케줄링 측면에서는 여러 AOD(음향 광학 디플렉터) 배열을 활용해 이동 작업을 부하 균형 방식으로 할당한다. 각 이동 작업(‘재배열 작업’)은 의존 관계 그래프에 따라 순서가 정해지며, ZAC는 독립적인 작업들을 병렬화해 전체 실행 시간을 단축한다. 이와 동시에 저장 구역에 머무는 유휴 큐비트는 Rydberg 레이저에 노출되지 않도록 하여 디코히런스와 전이 오류를 억제한다.

아키텍처 정의와 중간 표현(IR)도 중요한 기여이다. 논문은 AOD 배열, SLM 배열, 각 구역(엔탱글먼트, 저장, 읽기) 등을 JSON‑유사 스키마로 기술하는 ‘존드 아키텍처 사양’을 제시한다. 이를 통해 연구자는 다양한 구역 구성(예: 다중 엔탱글먼트 구역, 가변 행·열 수)과 하드웨어 파라미터를 손쉽게 정의하고, ZAC가 자동으로 최적화하도록 할 수 있다. 또한, ‘ZAIR’이라는 중간 표현을 도입해 재배열 작업, 게이트 단계, 의존 관계 등을 명시적으로 기술함으로써 컴파일 파이프라인 전반에 걸친 모듈화와 확장성을 확보한다.

평가에서는 실제 중성 원자 실험 파라미터를 기반으로 시뮬레이션을 수행했으며, ZAC가 적용된 존드 아키텍처가 기존 모노리식 컴파일러(예: Enola, Arctic) 대비 22배 높은 충실도를 보였다. 특히, 이상적인 최적 배치와 비교했을 때 평균 10% 정도의 충실도 차이만 존재한다는 점은 ZAC가 거의 최적에 근접한 솔루션임을 의미한다. 또한, 다중 AOD와 복합 구역 구성을 지원함으로써 향후 대규모 중성 원자 시스템 설계에 유연성을 제공한다.

마지막으로, ZAC는 FTQC(Fault‑Tolerant Quantum Computing)에서 필수적인 횡단 게이트(transversal gate)를 지원하도록 설계되었으며, 이는 오류 정정 코드와 결합된 실용적인 양자 알고리즘 실행에 중요한 전제 조건이다. 전체적으로 ZAC는 존드 양자 아키텍처의 물리적 특성을 깊이 이해하고, 컴파일 단계에서 이동과 재사용을 최적화함으로써 현재 가장 높은 수준의 연산 충실도를 달성한 혁신적인 시스템이다.