Circuit Cutting이란? 작은 QPU로 더 큰 양자회로를 계산하는 방법

Circuit Cutting이 큰 양자회로를 여러 개의 작은 회로로 나누어 실행하는 원리를 설명합니다. SWAP Gate를 줄이는 장점과 실행 횟수·Classical Post-processing이 증가하는 단점을 함께 살펴봅니다.

현재 QPU는 사용할 수 있는 Qubit 수와 Connectivity에 제한이 있습니다.

그렇다면 내가 실행하려는 Quantum Circuit이 QPU보다 크거나, 멀리 떨어진 Qubit 간 연산 때문에 너무 많은 SWAP Gate가 발생한다면 어떻게 해야 할까요?

한 가지 접근방법이 Circuit Cutting입니다.

이름 그대로 큰 Quantum Circuit을 여러 개의 작은 Circuit으로 잘라 각각 실행한 뒤 결과를 Classical Computer에서 다시 조합하는 방식입니다.

기본 아이디어

예를 들어 20-Qubit Circuit을 실행하고 싶은데 현재 사용 가능한 조건에서는 그대로 실행하기 어렵다고 가정해보겠습니다.

Circuit Cutting이 가능한 구조라면 이를

Subcircuit A

와

Subcircuit B

등으로 나누어 각각 QPU에서 실행합니다.

그리고 여러 번 얻은 측정 결과를 Classical Post-processing으로 결합해 원래 Circuit의 원하는 Observable을 추정합니다.

다만 20 Qubit 회로를 단순히 반으로 자르면 끝나는 기술은 아닙니다.

어디를 자를 것인지, 어떤 Observable을 계산할 것인지에 따라 추가 측정비용이 크게 달라집니다.

IBM의 현재 Qiskit 자료에서는 Circuit Cutting을 이용해 회로 깊이를 줄이거나 멀리 떨어진 Qubit 사이의 연산으로 발생하는 SWAP 부담을 줄이는 방법을 제공하고 있습니다.

Circuit Cutting의 장단점

항목	Circuit Cutting 적용 시
Qubit 요구량	작은 Subcircuit으로 분할 가능
Circuit Depth	경우에 따라 감소
SWAP Gate	줄일 수 있음
Circuit 실행 수	증가할 수 있음
Shots	증가 가능
Classical Processing	결과 재구성을 위해 증가

즉 공짜로 더 큰 QPU를 얻는 기술은 아닙니다.

Quantum Hardware 부담의 일부를 더 많은 측정과 Classical Computation으로 바꾸는 기술에 가깝습니다.

Gate Cutting과 Wire Cutting

Circuit Cutting에는 여러 방식이 있습니다.

Gate Cutting은 Circuit의 특정 Two-Qubit Gate 등을 여러 개의 작은 연산으로 분해해 Subcircuit을 만듭니다.

Wire Cutting은 Qubit Wire 자체를 특정 위치에서 잘라 여러 회로로 나눈 뒤 측정과 상태준비의 조합으로 원래 결과를 재구성합니다.

Quantum State는 일반 Bit처럼 중간 값을 그대로 읽고 복사할 수 없기 때문에 Classical Circuit을 자르는 것보다 훨씬 복잡합니다.

IBM의 Wire Cutting 튜토리얼 역시 Cut 위치에서 여러 Basis로 측정하고 상태를 다시 준비하는 과정을 통해 결과를 재구성합니다.

왜 SWAP 문제와 연결될까?

실제 QPU에는 Coupling Map이 있습니다.

직접 연결되지 않은 두 Qubit 사이에서 Two-Qubit Gate를 수행하려면 SWAP 같은 Routing Operation이 추가될 수 있습니다.

그러면 Circuit Depth와 Error가 증가합니다.

Circuit Cutting을 사용하면 이런 Long-Distance Operation을 잘라 여러 작은 회로에서 계산한 뒤 결과를 합칠 수 있습니다.

즉

추가 SWAP 비용

대신

추가 Sampling + Classical Reconstruction 비용

을 지불하는 것입니다.

어느 쪽이 더 좋은지는 회로 구조에 따라 달라집니다.

무조건 많이 자르면 좋을까?

그렇지 않습니다.

Cut 수가 증가하면 필요한 Subcircuit과 Measurement 설정의 수가 빠르게 증가할 수 있습니다.

결국 실행 횟수가 너무 많아지면

Queue Time
QPU Usage
Shots
Classical Calculation

비용이 더 커질 수 있습니다.

그래서 Circuit Cutting의 핵심은

어디를 자르느냐

입니다.

Connectivity가 나쁜 부분이나 많은 SWAP을 발생시키는 Gate를 전략적으로 Cut하는 것이 중요합니다.

실제로 여러 QPU를 연결하는 데도 사용할 수 있다

Circuit Cutting의 의미는 단일 QPU에만 국한되지 않습니다.

IBM은 두 개의 127-qubit Eagle QPU를 Classical Link와 Circuit Cutting 등으로 함께 활용해 각각의 단일 프로세서 규모를 넘는 Quantum State를 다룬 연구를 공개한 바 있습니다.

장기적으로는 Quantum Computer 역시 하나의 초대형 QPU만 만드는 방향뿐 아니라 여러 QPU를 함께 사용하는 Modular Architecture가 중요해질 수 있습니다.

정리

Circuit Cutting은 Qubit 부족을 마법처럼 없애는 기술이 아닙니다.

대신

Quantum Circuit 크기와 Depth

를 줄이는 대신

Circuit 실행 횟수와 Classical Processing

을 늘리는 Trade-off입니다.

이 관점으로 보면 미래의 양자컴퓨터가 왜 CPU·GPU·QPU가 서로 역할을 나누는 Hybrid Computing 형태로 발전하고 있는지도 이해하기 쉬워집니다.

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