QUOPS يتجاوز عدّ الكيوبتات لقياس الأداء العملي للحواسيب الكمومية

تتصدّر أعداد الكيوبتات، وهي وحدات المعلومات في الحاسوب الكمومي، عناوين كثيرة عن هذا القطاع. لكن هذا الرقم وحده لا يجيب عن السؤال الأهم: ما حجم الحساب الكمومي المفيد الذي يستطيع الجهاز إتمامه فعلياً وبموثوقية؟

لهذا يقترح باحثون إطاراً باسم QUOPS، اختصاراً لـ Quantum Universal Operations Performance System. قاد العمل مختبرات سانديا الوطنية الأميركية، مع مساهمات من Quantinuum في عروض العتاد، ومن NVIDIA في تنفيذ مفتوح المصدر عبر منصة CUDA-Q. 13

ما الذي يقيسه QUOPS؟

QUOPS معيار لا يعتمد على بنية كمومية بعينها، ويمكن تطبيقه على الكيوبتات الفيزيائية والكيوبتات المنطقية. وبدلاً من اختبار خوارزمية واحدة، يشغّل مجموعات متطابقة من الدوائر العشوائية ذات الطابع الحاسوبي العام عبر أشكال وأحجام مختلفة. وتُعد الدائرة ناجحة فقط إذا تجاوزت معيار النجاح المحدد، القائم على مقياس للدقة أو الاستقطاب. 23

ويخرج المعيار بمقياسين متكاملين:

• Q، أو درجة QUOPS: حجم أكبر دائرة، بعدد العمليات الكمومية، تنجح في اجتياز المعيار بموثوقية.
• ω، أو معدل QUOPS: المعدل الفعّال لتنفيذ تلك العمليات الناجحة، أي عدد وحدات QUOPS في الثانية.

الفرق بينهما مهم: فقد يكون جهاز ما سريعاً في إنجاز دوائر أصغر، فيما يتمكن جهاز آخر من تنفيذ دوائر أكبر لكن بوتيرة أبطأ. لذلك لا يحاول QUOPS اختزال الأداء في رقم واحد منفصل عن السياق، بل يرصد حدّ القدرة الموثوقة وسرعة العمل عند هذا الحد. 12

لماذا يُنظر إليه كمقياس للنظام بأكمله؟

لا يحدد أداء الحاسوب الكمومي المعالج وحده. فترجمة الدائرة إلى تعليمات قابلة للتشغيل، وتوجيه العمليات بين الكيوبتات، وشبكة الاتصال بينها، وأنظمة التحكم والقياس، والضوضاء؛ كلها عناصر قد ترفع النتيجة أو تخفضها.

صُمم QUOPS لكي تظهر هذه التكاليف ضمن النتيجة النهائية، بدلاً من عزلها في مواصفات منفصلة مثل عدد الكيوبتات أو دقة بوابة مفردة. وبذلك يحاول قياس القدرة الحاسوبية الموثوقة للنظام المتكامل، لا خصائص مكوّن واحد فيه. 12

ماذا كشفت المقارنة بين Helios وWillow وBoston؟

أظهرت الاختبارات الأولية مفاضلة واضحة بين حجم الدائرة وسرعة التنفيذ:

• حقق نظاما Google Willow وIBM Boston، وكلاهما من الأنظمة فائقة التوصيل، معدلات عمليات أعلى.
• بينما تمكّن نظام Quantinuum Helios القائم على الأيونات المحاصرة من دعم دوائر أكبر تستوفي معيار النجاح. 45

ويعكس ذلك اختلافاً في تصميم المنصات. فسرعة البوابات في الأنظمة فائقة التوصيل تفيد في رفع معدل التنفيذ، في حين أن الدقة العالية والاتصال الفعلي بين جميع الكيوبتات في Helios يقللان كلفة التوجيه. والنتيجة هي تراكم أخطاء أقل قبل أن تصبح الدائرة كبيرة أكثر من اللازم لتنفيذ موثوق. 25

وبحسب النتائج المعلنة، بلغت درجات Q الفيزيائية 1,504 لمعالج Helios-1، و216 لمعالج Willow، و204 لنظام IBM Boston. ولا تعني هذه الأرقام أن جهازاً ما «أفضل» في كل الاستخدامات؛ فهي تصف موقع كل نظام ضمن المفاضلة بين حجم الحساب الموثوق ومعدل إنجازه. 7

ما المسافة المتبقية إلى التطبيقات الكبيرة؟

تقدّر المسودة أهدافاً تقارب 2.5 × 10⁸ QUOPS لتحليل RSA-2048 إلى عوامله، ونحو 3.4 × 10⁸ QUOPS لحسابات عالية الدقة لجزيء FeMoco، وهو مركّب مهم في دراسة تثبيت النيتروجين. وبالمقارنة مع هذه الأهداف، تبدو الأنظمة الحالية المعتمدة على الكيوبتات الفيزيائية بعيدة بنحو خمس مراتب مقدار، أو قرابة 100 ألف مرة، عن المستوى المطلوب لهذه التطبيقات الشديدة التعقيد. 57

لكن هذه ليست نبوءة زمنية. إنها تقديرات لموارد الحوسبة، وتتأثر بافتراضات تتعلق بالخوارزميات وطرائق تصحيح الأخطاء والبنى الهندسية، ولا تحدد موعداً يستطيع فيه جهاز بعينه تحليل RSA-2048 أو إنجاز حسابات FeMoco المستهدفة.

اختبار الكيوبتات المنطقية والتسامح مع الأخطاء

لم يقتصر QUOPS على الأجهزة الحالية ذات الكيوبتات الفيزيائية المعرّضة للضوضاء. فقد استُخدم أيضاً في عرض لتسامح مع الأخطاء على Helios-1 وصل إلى ثمانية كيوبتات منطقية. ووفق سانديا، كانت هذه أول حالة لقياس أداء معالج متسامح مع الأخطاء باستخدام معيار من هذا النوع. 12

وتكمن أهمية ذلك في أن الإطار نفسه يمكن أن يتابع الانتقال من الأجهزة الحالية إلى أنظمة تستخدم ترميزاً وتصحيحاً للأخطاء. لكنه لا يعني أن الحوسبة المتسامحة مع الأخطاء تتفوق الآن على كل البنى الفيزيائية في جميع المقاييس؛ إذ تتمثل قيمة العرض في توفير لغة قياس مشتركة لمتابعة هذا الانتقال نحو أنظمة منطقية أكبر. 13

كيف ينبغي قراءة هذه النتائج؟

الرسالة الأساسية لـ QUOPS هي نقل النقاش من سؤال «كم كيوبتاً يملك الجهاز؟» إلى سؤال أكثر عملية: كم من العمل الكمومي العام والموثوق يستطيع إنجازه، وبأي سرعة؟ وتوحي الاختبارات بأن الاتصال الجيد والدقة يمكن أن يوسعا حجم الدوائر الممكنة، فيما قد تحسن البوابات الأسرع معدل التنفيذ.

ومع ذلك، ما زالت النتائج صادرة عن مسودة بحثية منشورة على arXiv ولم تمر بمراجعة الأقران. لذلك ينبغي التعامل مع تعريفات المعيار وعتبات النجاح والإسقاطات الخاصة بالتطبيقات واسعة النطاق بوصفها نتائج أولية، إلى أن تخضع لفحص علمي مستقل وإعادة إنتاج. 5