양자·고전 공동 실행을 위한 오픈소스 프레임워크 CONQURE

초록

CONQURE는 양자 처리 장치(QPU)와 고전 HPC/ML 워크로드를 통합하기 위한 오픈소스 클라우드 큐 기반 미들웨어이다. OpenMP‑Q 확장을 통해 C/C++ 코드에서 양자 커널을 오프로드하고, 모듈식 스케줄러와 데이터베이스를 이용해 작업 제출·추적·결과 회수를 자동화한다. 실험에서는 12.7 ms의 낮은 API 오버헤드와 이온 트랩 디바이스에서 VQE 실행 시 3.1배의 런타임 감소를 보였다.

상세 분석

본 논문은 양자 가속기가 HPC와 머신러닝 파이프라인에 자연스럽게 녹아들기 위한 소프트웨어 계층을 설계·구현하고, 그 실효성을 정량적으로 평가한다. 가장 큰 공헌은 기존 OpenMP 표준에 “Quantum” 타깃을 추가한 OpenMP‑Q 확장이다. 이를 통해 C/C++ 개발자는 기존 #pragma omp 구문을 그대로 사용하면서 양자 회로를 정의하고, 파라미터를 동적으로 업데이트하는 역오프로드(reverse‑offload) 메커니즘을 구현할 수 있다. 역오프로드는 양자 회로 실행 후 즉시 클래식 솔버가 결과를 받아 새로운 파라미터를 생성하고, 이를 다음 양자 단계에 반영함으로써 변분 양자 알고리즘(VQE) 같은 하이브리드 루프의 전체 지연을 최소화한다.

CONQURE의 아키텍처는 다섯 계층으로 구성된다. 사용자 인터페이스 계층은 Qiskit, Cirq, tket 등 다양한 프론트엔드를 지원해 양자 회로를 기술한다. 번역 계층은 추상화된 양자 연산을 하드웨어‑특화 IR(예: QIR, QASM)로 변환하고, 필요 시 벤더‑전용 최적화를 적용한다. 워크로드 매니저는 클라우드 큐와 SLURM 기반 스케줄러를 결합해 작업 우선순위, 자원 할당, 동시 실행을 관리한다. 영구 저장소(DB)는 작업 메타데이터와 회로 정의, 실행 결과를 보관해 재현성과 추적성을 보장한다. 마지막으로 양자 제어 계층은 펄스‑레벨 드라이버를 플러그인 형태로 제공해 초전도, 이온 트랩, 중성 원자 등 다양한 물리 플랫폼에 대응한다. 이러한 모듈성은 새로운 하드웨어가 등장하거나 기존 스케줄링 정책을 교체할 때 상위 계층 코드를 수정하지 않아도 되는 장점을 제공한다.

성능 평가에서는 CONQURE API 호출이 평균 12.7 ms의 오버헤드만을 발생시켰으며, 이는 기존 클라우드 큐 시스템(AWS Quantum Queue) 대비 30 % 정도 개선된 수치이다. 또한 이온 트랩 디바이스에서 VQE 워크로드를 4개의 양자 스레드로 병렬 실행했을 때, 순차 실행 대비 3.1배의 시간 절감 효과를 확인했다. 이는 양자 게이트의 병렬 적용과 역오프로드를 통한 파라미터 업데이트가 디코히런스와 잡음에 대한 내성을 높여, 전체 수렴 속도를 가속화했기 때문이다.

논문은 또한 현재 상용 양자 클라우드 서비스가 제공하는 폐쇄형 API와 달리, CONQURE가 인증 기반 프라이빗 클라우드 환경에서도 동작하도록 설계된 점을 강조한다. 이를 통해 연구실 간 협업이나 학술용 전용 인프라 구축이 가능해진다. 마지막으로 향후 작업으로는 멀티‑QPU 스케줄링, GPU와 연계한 하이브리드 가속, 그리고 양자 오류 정정 코드를 자동 삽입하는 컴파일러 패스 추가 등을 제시한다. 전반적으로 CONQURE는 양자·고전 공동 실행을 위한 소프트웨어 스택의 빈틈을 메우며, HPC 커뮤니티가 양자 가속기를 실용적으로 활용할 수 있는 기반을 제공한다.