KR-20260061125-A - Quantum-Classical Hybrid Operating System and System Having Classical Emulation Pre-verification and Multi-tier State Transition Governance based on Tensor-Subspace

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Abstract

본 발명은 대규모 오픈 양자 시스템을 제어하기 위한 양자-고전 2mons 하이브리드 거버넌스 아키텍처이다. 시스템은 얽힘도 기반으로 배열을 부분 텐서 공간으로 동적 분할하고 제어 펄스를 생성한다. 제어 펄스를 물리 계층에 즉각 인가하는 대신, 고전 에뮬레이션 메모리에 선반영하여 결합항이 비선형적으로 증폭되는 위험 함수를 산출하고 인실리코 기반 축약형 결정론적 모델로 사전 검증한다. 상태 전이 방화벽을 통과한 구역에 한해 국소 확정(Local Finality)을 부여하며, 위험 전이는 하드웨어 버스 단에서 격리 및 롤백한다. 실증 결과 본 발명은 환경 악화 시 적응형 보수화 기제를 가동하여 에러를 확정적으로 억제하며, 극한 조건(고위험 강결합 및 초대규모 복구 페널티)에서 종래 무분별 커밋 구조 대비 장기 지속 처리량 우위를 극대화하여 하드웨어 생존력을 안정적으로 확보한다.

Inventors

윤혜성

Assignees

윤혜성

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20260414

Claims (10)

양자 요소가 배열된 물리 계층(Physical Layer)에 대한 제어 펄스 인가를 통제하는 양자-고전 하이브리드 거버넌스 시스템에 있어서,물리적 상태 밀도에 기초하여 동적 분할된(Dynamically Partitioned) 제어 대상 영역의 양자 상태 지표를 판독하여 제어 후보 펄스를 생성하는 연산 모듈;상기 물리 계층과 하드웨어적으로 분리된 고전 메모리 상에 구축되어, 상기 제어 후보 펄스를 인실리코(In-Silico) 가상 환경에 선반영(Shadow Commit)하는 상태 전이 에뮬레이터;상기 상태 전이 에뮬레이터의 선반영 결과를 바탕으로 파급 위험 벡터를 산출하고, 상기 제어 후보 펄스의 실제 물리 계층 인가 여부를 심사하여 권한을 통제하는 상태 전이 방화벽 모듈; 및전체 물리 계층의 전역 합의(Global Consensus) 대기 없이, 상기 상태 전이 방화벽 모듈의 심사를 통과한 제어 후보 펄스에 한하여 펄스 발생기를 통해 물리적으로 인가하고 해당 영역의 안전 상태를 비동기적으로 확정하는 국소 확정(Local Finality) 인터페이스를 포함하는 양자-고전 하이브리드 상태 전이 거버넌스 시스템.
제1항에 있어서,상기 동적 분할된 제어 대상 영역은 물리적 인접 격자가 아닌, 폰 노이만 엔트로피(von Neumann Entropy) 기반의 얽힘 클러스터 밀도에 따라 정의되는 복수의 부분 텐서 공간(Tensor Subspace)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 양자-고전 하이브리드 상태 전이 거버넌스 시스템.
제1항에 있어서,상기 연산 모듈은 상기 물리 계층의 지터 노이즈 및 결어긋남에 의한 붕괴를 방어하기 위해 물리적 하드웨어의 코히런스 타임 $T_2$에 비례하도록 제어 피드백 지연 예산 $\tau$를 제어하되, 일 실시예로서 초전도 큐빗 시스템의 경우 유효 운영 구간인 15~85 ns 범위 내에서 할당하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제3항에 있어서,상기 연산 모듈 및 상기 상태 전이 방화벽 모듈은, 시스템의 에러 복구 비용(Penalty)을 반영한 장기 지속 처리량(Long-run Throughput)을 확보하기 위하여, 상기 제어 피드백 지연 예산 $\tau$를 최적 안정 구간인 45~55 ns 내로 스케줄링함과 동시에, 외부 영역으로의 예상 크로스토크 증폭률 임계치($X_{th}$)를 하향시키고 예측 신뢰도 임계치($C_{th}$)를 상향시키는 적응형 보수화(Adaptive Conservatism) 기제를 가동하여 상기 제어 후보 펄스의 전역 즉시 반영을 통제하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서,상기 파급 위험 벡터는 얽힘 밀도, 크로스토크 세기, 및 드리프트 불안정도를 포함하는 변수들의 비선형 결합항이 가중 반영되는 위험 함수를 기반으로 모델링되며, 상기 상태 전이 방화벽 모듈은 인실리코(In-Silico) 기반 축약형 결정론적 스트레스 모델 에뮬레이션 결과 상기 위험 함수 기반의 산출값이 기설정된 기준치를 초과할 경우 상기 제어 후보 펄스의 전역 즉시 반영을 반려하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서,상기 파급 위험 벡터가 기준치를 초과하여 반려될 경우, 상기 상태 전이 방화벽 모듈은 상기 제어 후보 펄스의 외부 버스(Bus) 전송을 하드웨어적으로 차단하여 롤백(Rollback)하거나, 인접 영역과의 상호작용 게이트를 물리적으로 차단한 상태에서 해당 영역 내부에만 구동 펄스를 인가하는 국소 격리(Local Isolation)를 수행하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제6항에 있어서,상기 국소 격리 수행 시, 상기 시스템은 데이터 양자 요소와 분리된 앵커 양자 요소(Anchor Qubit)에 선택적 펌프 펄스를 인가하여 QND(Quantum Non-Demolition) 기반의 국소 엔트로피 소산을 유도하는 것을 특징으로 하는 시스템.
양자 요소가 배열된 물리 계층에 대한 구동 인가 권한을 거버넌스 룰에 따라 통제하는 방법에 있어서,물리적 상태 밀도에 기초하여 동적 분할된 제어 대상 영역의 양자 상태 지표를 판독하여 연산 모듈이 제어 후보 펄스를 생성하는 단계;상기 물리 계층과 분리된 인실리코(In-Silico) 고전 메모리 상의 상태 전이 에뮬레이터에 상기 제어 후보 펄스를 선반영(Shadow Commit)하는 단계;선반영 결과를 바탕으로 변수 결합항을 포함하는 비선형 파급 위험 벡터를 산출하고, 상태 전이 방화벽 모듈이 상기 펄스의 인가 여부를 전역 허용, 국소 격리, 또는 하드웨어 버스 차단 기반 롤백으로 심사하는 단계; 및전체 물리 계층의 전역 합의 대기 없이, 심사를 통과한 제어 후보 펄스에 한하여 물리적으로 펄스를 조사하고 안전 상태를 국소 확정(Local Finality)하는 단계를 포함하는 구동 인가 권한 통제 방법.
제1항에 있어서,상기 연산 모듈이 생성하는 제어 후보 펄스는, 상기 양자 상태 지표의 시간적 변화율을 반영한 1차 예측(First-Order Prediction) 지연 보상을 수행하고, 상기 배열을 복수의 세부 구역으로 세분화한 고해상도 제어 이득 맵(Gain Map)을 기반으로 산출되는 것을 특징으로 하며,상기 시스템은 제어 이득 맵 기반으로 상기 펄스가 인가되는 로컬 즉응 Track 1 기반의 로컬 실행 Plane과, 고전 근사 파라미터를 산출하고 텐서 공간을 동적 할당하는 글로벌 디코딩 Track 2 기반의 전역 분석 Plane이 역할별로 분리된 하드웨어 아키텍처 상에서 수행되는 것을 특징으로 하는 양자-고전 하이브리드 상태 전이 거버넌스 시스템.
제1항에 있어서,상기 시스템은 클라우드 환경에서 양자 컴퓨팅 자원의 운영 적합성을 입증하기 위한 부가 장치로서,상기 상태 전이 방화벽 모듈의 에뮬레이션 연산 소요 시간에 기인하는 외부 API 응답 지연의 패턴, 및 고위험 강결합 구간에서 상기 방화벽의 적응형 보수화 기제에 의해 무분별 즉시 커밋 구조 대비 시스템 장기 생존 우위가 임계치 이상으로 상승하는 현상을 반영하여 외부 검증에 사용 가능한 패턴 정보를 출력함으로써, 블랙박스 내부의 거버넌스 작동 여부를 외부적으로 입증 가능하게 하는 시스템.

Description

부분 텐서 공간 기반의 고전 에뮬레이션 선검증 및 다중 계층 상태 전이 거버넌스를 갖는 양자-고전 하이브리드 운영체제 및 시스템{Quantum-Classical Hybrid Operating System and System Having Classical Emulation Pre-verification and Multi-tier State Transition Governance based on Tensor-Subspace} 본 발명은 대규모 오픈 양자 시스템(Open Quantum Systems)의 자원 할당, 에러 억제 및 분산 제어 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시스템 전체 상태 벡터를 추적하는 대신 물리 계층을 '부분 텐서 공간'으로 동적 분할하고, 실제 양자 상태 전이를 유발하기 전 고전 메모리 상의 '그림자 커밋(Shadow Commit)' 환경에서 변수 결합항이 비선형적으로 증폭되는 에러 전파를 인실리코(In-Silico) 기반 축약형 결정론적 스트레스 모델(Reduced Deterministic Stress Model)로 에뮬레이션하여 커밋 인가 권한을 통제하는 상위 거버넌스 아키텍처에 관한 것이다. NISQ 및 초기 결함 허용(FTQC) 대규모 양자 격자형 배열에서는 스케일업에 따라 해밀토니안의 상호작용 항으로 인해 국소 오류가 전역 붕괴로 이어지는 핫스팟 집중 현상이 증폭된다. 종래의 피드백 제어 시스템은 센서 데이터 측정 후 즉각적으로 구동 펄스를 생성하여 물리 계층에 맹목적으로 커밋(Commit)하는 단일 평면 구조를 가졌다. 이러한 구조는 복잡한 얽힘 토폴로지를 타고 오히려 에러를 비선형적으로 증폭시키는 중앙 썩음(Center Decay) 현상을 유발한다. 따라서, 무분별한 펄스 인가를 억제하고 인실리코 환경의 고전 에뮬레이션 층에서 전이 결과를 선검증하여 안전이 입증된 구역에만 국소 확정(Local Finality)을 부여하는 고차원적 방화벽 거버넌스 체계가 요구된다. 본 발명은 아래의 텍스트 기반 구조 묘사를 통해 그 유기적 결합 관계가 명확히 특정된다. 말로 풀어쓰는 도면 1 (다중 계층 아키텍처 흐름도): 센서 어레이에서 물리 계층을 판독하고, 전역 분석 Plane에서 부분 텐서 공간 할당 맵을 생성한다. 이후 로컬 실행 Plane에서 지연 예산이 적용된 후보 펄스를 생성하며, 정책/검증 Plane의 고전 에뮬레이터에서 상태 전이 방화벽 심사를 거친다. 승인 시 국소 확정 인터페이스를 통해 물리 계층에 조사되고, 차단 시 하드웨어 버스 차단 및 격리가 인가되는 흐름을 나타낸다. 말로 풀어쓰는 도면 2 (부분 텐서 공간 분해): 전체 배열을 단순히 2D 물리 타일로 분리하지 않고, 이웃 큐빗 간의 폰 노이만 엔트로피 결합강도, 상관구조에 기초하여 동적 클러스터링하는 과정을 묘사한다. 말로 풀어쓰는 도면 3 (그림자 커밋 파이프라인): 제어 후보 펄스가 인실리코 고전 에뮬레이션 메모리에 선반영되어 인접 부분 공간으로의 비선형 크로스토크 파급을 평가하고 방화벽 심사로 라우팅되는 메커니즘을 나타낸다. 말로 풀어쓰는 도면 4 (상태 전이 방화벽 규칙): 축약형 결정론적 모델에 의해 산출된 비선형 위험 벡터값과 예측 신뢰도를 입력받아 전역 허용, 국소 격리, 롤백 중 하나로 인가 권한을 결정하는 논리 구조를 나타낸다. 말로 풀어쓰는 도면 5 (Local Finality 논리 구조): 전역 큐빗의 합의를 기다리는 병목 현상을 타파하기 위해, 방화벽을 통과한 독립된 부분 텐서 공간 단위로 비동기적 확정을 내리는 구조를 나타낸다. 말로 풀어쓰는 도면 6 (기존 축과 개량 축의 하이브리드 결합): 제어 예측 및 실행 계층(Track 1 및 Track 2) 위에 본 발명의 상태 전이 방화벽 거버넌스가 상위 통치 계층으로 적층되는 구조를 나타낸다. 1. 다중 계층 아키텍처 용어 매핑 및 하드웨어 앵커링 (물리적 실시 형태) 본 발명은 역할이 논리적, 물리적으로 분리된 3-Plane 거버넌스를 채택한다. 첫째, 로컬 실행 Plane은 제어 산출 및 물리적 펄스 인가를 담당한다. 둘째, 전역 분석 Plane은 얽힘도 밀도 분석 및 부분 텐서 공간 동적 분할을 수행한다. 셋째, 정책/검증 Plane은 그림자 커밋 및 방화벽 권한 심사를 통치한다. 구체적인 실시예에서, 상기 정책/검증 Plane은 시스템의 지연 예산($\tau$) 내에 연산을 완료하기 위해 상온의 제어 랙(Rack)에 위치한 고성능 FPGA(예컨대, RFSoC) 내부의 BRAM(Block RAM) 및 DSP 슬라이스를 활용하여 인실리코 에뮬레이션을 가속 처리한다. 방화벽의 심사 결과 도출된 스위칭 신호는 JESD204B와 같은 초고속 직렬 인터페이스를 거쳐 65 GS/s 이상의 샘플링 레이트를 갖는 AWG(임의 파형 발생기) 및 DAC(Digital-to-Analog Converter) 뱅크로 전달된다. 심사가 승인된 펄스에 한하여 마이크로파 또는 광학 펄스로 변환되며, 이 펄스는 극저온 냉동기(Dilution Refrigerator) 내부의 초전도 동축 케이블을 타고 밀리켈빈(mK) 환경의 물리적 큐빗으로 조사된다. 심사 차단 시에는 FPGA 하드웨어 로직 게이트 레벨에서 즉각적인 펄스 널링(Nulling) 및 버스 단선이 발생하여 비가역적 롤백을 수행함으로써 물리 계층으로의 에러 침투를 하드웨어적으로 원천 봉쇄한다. 한편, 상술한 하드웨어 실시예는 초전도 큐빗 시스템에 국한되지 않으며 범용 양자 플랫폼으로 확장 적용 가능하다. 예컨대, 다른 실시예로서 상기 펄스 조사 경로는 대상 양자계의 물리적 특성에 따라 이온 트랩(Ion Trap) 구동기, 중성원자(Neutral Atom) 빔 조향기, 또는 광양자 시스템을 위한 광학 변조기(Optical Modulator) 등으로 대체 구현될 수 있다. 2. 수학적 모델링: 비선형 위험 커널 수식 및 생존성 지표 본 발명의 파급 위험 평가는 단순 선형 합산이 아닌, 얽힘 밀도($E$), 크로스토크 세기($J$), 드리프트 불안정도($D$)를 변수로 하며 결합항이 비선형적으로 증가하는 위험 커널($R$) 모델을 사용한다. 본 발명에 적용되는 실시예적 비선형 위험 커널 수식은 다음과 같이 정의된다. $$R = 0.20E + 0.30J + 0.15D + 0.45EJ + 0.15JD + 0.10ED + 0.30(EJ)^2$$ 또한 시스템의 성과를 판단하는 장기 지속 처리량($T$)은 단순 순간 처리 속도가 아닌 초대규모 스케일의 에러 복구 페널티($P$)를 반영하여 다음과 같이 정의된다. $$T = \frac{\text{Commit} + \text{Isolation Progress}}{1 + P \cdot \text{FatalEventRate}}$$ 3. 인실리코(In-Silico) 기반 축약형 결정론적 스트레스 모델 다차원 스윕(Sweep) 실증 벤치마크 본 발명의 거버넌스가 창출하는 임계적 의의를 확정적으로 입증하기 위해, 상기 비선형 커널을 적용한 인실리코 기반 축약형 결정론적 스트레스 모델을 구축하고 총 20만 사이클의 에뮬레이션을 수행하였다. 본 실증 데이터는 본 발명이 단순한 펄스 제어기가 아닌 '조건 악화 시 상호 비교 우위가 상승하는 생존형 운영체제 구조'임을 객관적으로 증명한다. 가. 기준 명목 운영점 실증 결과 기준 명목 운영점(지연 예산 $\tau$=50 ns, 예측 신뢰도 임계치 $C_{th}$=0.92, 크로스토크 억제 임계치 $X_{th}$=-42 dB, 결합 강도 $h$=1.0, 복구 페널티 $p$=50 기준)을 고정점으로 하여 제1 비교예(무분별 100% 커밋 구조) 및 제2 비교예(느슨한 방화벽 기반 93.0% 커밋 구조)와 비교하였다. 본 발명은 전역 즉시 커밋률을 61.9%로 의도적으로 통제하고 국소 격리율 29.5%, 롤백율 8.6%를 기록하였다. 그 결과 1만 사이클 당 치명적 에러(Fatal Event)는 제1 비교예(296.5건) 대비 80.4% 저감되고 제2 비교예(146.4건) 대비 60.4% 저감된 57.95건으로 억제되었다. 또한 장기 지속 처리량 배수는 1.76배를 기록하여 제2 비교예(1.33배)를 상회하였다. 나. 제1차 핵심 제어축 지연 예산($\tau$)의 수렴적 불변성 및 1차원 스윕 분석 전체 운영 구간에 걸친 스윕 분석 결과, 지연 예산($\tau$)의 최적점은 환경 조건 변화와 무관하게 50 ns 근방에서 수렴하는 불변성(Invariance)을 나타내었다. 구체적으로 $\tau$가 15 ns일 때 즉시 커밋률은 43.4%, 롤백율은 13.0%이며, 치명적 에러가 122.67건으로 급증하여 처리량 배수는 0.82배로 하락하였다. 25 ns 구간에서는 처리량 1.24배, 35 ns 구간에서는 1.58배를 기록하였다. 반면 $\tau$가 50 ns로 고정된 중심 축에서는 에러가 57.95건으로 통제되고 처리량이 1.76배로 극대화되었다. 이후 65 ns, 75 ns, 85 ns 구간으로 갈수록 에러가 재상승하고 처리량이 1.58배, 1.24배, 0.82배로 감소하였다. 이를 통해 $\tau=45 \sim 55$ ns 구간이 시스템 생존을 관장하는 실효적 스위트 스팟(Sweet Spot)임이 확인되었다. 다. 신뢰도($C_{th}$) 및 크로스토크($X_{th}$)의 한계치 조정 및 파레토 프런트 도출 임계치를 조정하며 분석한 결과, 최대 처리량은 고원(Plateau) 형태를 유지하면서 치명적 에러만을 억제할 수 있는 파레토 프런트(Pareto Front)가 발견되었다. $C_{th}$를 0.90으로 느슨하게 설정하면 커밋은 65.2%로 상승하나 에러가 61.66건으로 증가(처리량 1.74배)하였다. 이를 0.94로 조이면 커밋은 58.3%로 줄어들지만 에러가 54.64건으로 감소하며 처리량 1.77배를 방어하였고, 0.95까지 상향하면 에러가 53.16건으로 억제(처리량 1.76배)되었다. 마찬가지로 $X_{th}$를 -40 dB로 설정하면 에러가 61.01건(1.75배)이나, -44 dB에서 55.17건(1.76배), -46 dB에서 52.71건(1.75배), -48 dB에서는 커밋이 52%대로 하락함에도 에러가 49건대로 대폭 감소하며 1.71~1.74배의 처리량을 방어하였다. 결과적으로 본 발명은 제출용