QUOPS měří skutečný výkon kvantových počítačů, ne jen počet qubitů

Počet qubitů ani parametry jednotlivých kvantových bran samy o sobě neříkají, jak velký reálný výpočet dokáže kvantový počítač dokončit. Nový benchmark QUOPS (Quantum Universal Operations Performance System) proto navrhuje praktičtější otázku: jak rozsáhlý, obecně použitelný kvantový obvod systém spolehlivě zvládne a jak rychle jej provede.

Práci vedly Sandia National Laboratories; Quantinuum se podílelo na hardwarových demonstracích a NVIDIA dodala otevřenou implementaci pro platformu CUDA-Q. 13

Co QUOPS vlastně měří

QUOPS je benchmark nezávislý na architektuře, použitelný pro systémy s fyzickými i logickými qubity. Namísto jednoho konkrétního algoritmu spouští na různých strojích stejná náhodně generovaná výpočetně univerzální kvantová zapojení v odlišných tvarech a velikostech. Úspěšnost pracovního zatížení se vyhodnocuje pomocí kritéria založeného na fidelitě či polarizaci; za úspěšné se považují jen obvody, které překročí stanovený práh. 23

Z testů vycházejí dvě související metriky:

• Q (skóre QUOPS): velikost největšího obvodu, vyjádřená počtem kvantových operací, který projde zvoleným kritériem spolehlivosti.
• ω (rychlost QUOPS): efektivní tempo provádění těchto úspěšných operací, tedy počet QUOPS za sekundu.

To rozlišení je podstatné. Jeden počítač může menší úlohy provádět velmi rychle, zatímco jiný může spolehlivě dokončit větší obvody, ale pomaleji. QUOPS se snaží zachytit obě stránky výkonu. 12

Proč jde o benchmark celého systému

Výsledek kvantového obvodu nezávisí jen na kvalitě samotného procesoru. Roli hraje překlad obvodu, směrování operací mezi qubity, topologie propojení, řídicí elektronika, měření i šum. QUOPS je navržen tak, aby se tyto náklady promítly přímo do výsledného skóre — namísto toho, aby zůstaly oddělenými technickými parametry hardwaru. 12

Nejde tedy o jednoduchý žebříček podle jediného čísla. Cílem je vymezit hranici spolehlivé výpočetní schopnosti kompletního kvantového systému. 3

Helios, Willow a IBM Boston: rychlost proti velikosti obvodu

První srovnání ukázalo zřetelný kompromis mezi velikostí obvodu a rychlostí jeho provádění:

• Supravodivé systémy Google Willow a IBM Boston dosáhly vyšších rychlostí operací.
• Iontový systém Quantinuum Helios zvládl větší obvody, které splnily kritérium benchmarku. 45

Interpretace je poměrně přímočará: rychlé supravodivé brány prospívají průchodnosti, tedy rychlosti zpracování. Vysoká přesnost systému Helios a jeho prakticky plně propojená architektura naopak snižují náklady na směrování operací. Než se obvod stane příliš velkým pro spolehlivé provedení, může se v něm proto nahromadit méně chyb. 25

Uváděná fyzická skóre Q činila 1 504 pro Helios-1, 216 pro Willow a 204 pro IBM Boston. Neznamená to, že by jeden systém byl ve všech ohledech bezpodmínečně lepší. Popisují konkrétní bod v kompromisu mezi velikostí spolehlivě proveditelného výpočtu a jeho propustností. 7

Jak daleko jsou dnešní stroje od velkých aplikací

Předtisk odhaduje, že pro faktorizaci RSA-2048 by bylo potřeba přibližně 2,5 × 10⁸ QUOPS a pro vysoce přesné výpočty molekuly FeMoco asi 3,4 × 10⁸ QUOPS. Ve srovnání s tím jsou současné systémy s fyzickými qubity zhruba o pět řádů, tedy přibližně 100 000krát, níže než úroveň předpokládaná pro tyto náročné úlohy. 57

Jde však o odhady potřebných zdrojů, nikoli o harmonogram. Závisejí na předpokladech o algoritmech, kódech pro opravu chyb a architekturách. Samy o sobě proto nepředpovídají, kdy konkrétní stroj prolomí RSA-2048 nebo provede výpočet pro FeMoco.

QUOPS i pro logické qubity a odolnost vůči chybám

Benchmark byl použit také při demonstraci výpočtu odolného vůči chybám až s osmi logickými qubity na systému Helios-1. Podle Sandia šlo o první benchmarkování procesoru s odolností vůči chybám. 12

To je důležité, protože QUOPS není omezen jen na dnešní šumové systémy s fyzickými qubity. Stejný princip lze použít i pro stroje, které využívají kódování a opravu chyb. Demonstrace ovšem neznamená, že by takový přístup už dnes překonal fyzické architektury ve všech ukazatelích. Její přínos spočívá ve vytvoření společného způsobu, jak sledovat přechod k rozsáhlejším systémům s logickými qubity. 13

Jak výsledky číst

QUOPS posouvá debatu od otázky „kolik má počítač qubitů?“ k praktičtější otázce: „kolik spolehlivé univerzální kvantové práce dokáže dokončit?“ Testy naznačují, že konektivita a přesnost mohou zvýšit maximální velikost proveditelného obvodu, zatímco rychlé brány mohou zlepšit tempo provádění operací.

Zjištění však pocházejí z předtisku na arXiv, který zatím neprošel recenzním řízením. Definice benchmarku, prahy úspěšnosti i projekce k rozsáhlým aplikacím je proto třeba považovat za předběžné, dokud je nezávisle neprověří a nereprodukují další týmy. 5