QUOPS flytter fokus fra antal qubits til reel kvanteberegning

Antallet af qubits og kvaliteten af enkelte logiske porte siger ikke i sig selv, hvad en kvantecomputer kan klare i en reel beregning. Det er udgangspunktet for QUOPS (Quantum Universal Operations Performance System), en ny benchmark, der i stedet spørger: Hvor stor en generelt anvendelig kvanteberegning kan systemet gennemføre pålideligt – og hvor hurtigt sker det?

Arbejdet er ledet af Sandia National Laboratories, mens Quantinuum bidrog med hardwaredemonstrationer og NVIDIA med en åben implementering i CUDA-Q. 13

To tal for kapacitet og tempo

QUOPS er udviklet til at være uafhængig af hardwarearkitektur og kan bruges på både fysiske og logiske qubits. I stedet for at teste ét bestemt algoritmisk problem kører metoden de samme tilfældige, beregningsuniverselle kredsløb i forskellige former og størrelser på tværs af systemer.

Et kredsløb tæller kun som gennemført, hvis det passerer benchmarkens fastsatte krav til fidelitet eller polarisering. Herfra udleder QUOPS to beslægtede mål: 23

• Q, QUOPS-score: Størrelsen, målt i kvanteoperationer, på det største kredsløb, som opfylder kravet pålideligt.
• ω, QUOPS-rate: Den effektive hastighed for disse vellykkede operationer, målt i QUOPS pr. sekund.

Skellet er vigtigt: En maskine kan være hurtig til mindre opgaver, mens en anden kan nå frem til større og mere komplekse kredsløb, men med lavere gennemløbshastighed. QUOPS forsøger at indfange begge egenskaber. 12

Derfor er det en benchmark for hele systemet

Et kvantekredsløbs reelle ydeevne afhænger af langt mere end processorens nominelle specifikationer. Kompilering, kortlægning af kredsløbet, routing mellem qubits, forbindelsestopologi, styring, målinger og støj kan alle begrænse slutresultatet.

QUOPS er netop konstrueret, så disse omkostninger slår igennem i resultatet. Den måler altså ikke blot isolerede hardwareegenskaber, men grænsen for, hvad et komplet kvantesystem kan udføre pålideligt. 123

Helios klarede større kredsløb, Willow og Boston var hurtigere

De første sammenligninger peger på et klart kompromis mellem kredsløbsstørrelse og hastighed:

• De superledende systemer Google Willow og IBM Boston opnåede højere operationsrater.
• Det ionfældebaserede system Quantinuum Helios kunne gennemføre større kredsløb, som opfyldte benchmarkens krav. 45

Fortolkningen er, at hurtige superledende porte gav Willow og Boston en fordel i tempo. Helios havde derimod høj præcision og i praksis all-to-all-forbindelse mellem qubits, hvilket mindsker behovet for routing. Dermed kan færre fejl nå at hobe sig op, før et kredsløb bliver for stort til at kunne køres pålideligt. 25

De rapporterede fysiske Q-scorer var 1.504 for Helios-1, 216 for Willow og 204 for IBM Boston. Tallene betyder ikke, at ét system nødvendigvis er bedst til alt. De beskriver placeringen i et bestemt kompromis mellem størrelsen af den pålidelige beregning og systemets gennemløb. 7

Omkring 100.000 gange fra de mest krævende anvendelser

Preprintet anslår et behov på cirka 2,5 × 10⁸ QUOPS for faktorisering af RSA-2048 og 3,4 × 10⁸ QUOPS for højpræcisionsberegninger på FeMoco, et centralt molekylært kompleks i nitrogenase. På den skala ligger nutidens systemer med fysiske qubits omtrent fem størrelsesordener – cirka 100.000 gange – under niveauet for disse krævende opgaver. 57

Det er ressourceestimater, ikke en tidsplan. De afhænger blandt andet af antagelser om algoritmer, fejlkorrektionskoder og arkitekturer og siger derfor ikke, hvornår en bestemt maskine vil kunne faktorisere RSA-2048 eller løse FeMoco-beregninger.

Også testet på logiske qubits og fejltolerance

Benchmarken blev også anvendt på en demonstration af fejltolerant kvanteberegning med op til otte logiske qubits på Helios-1. Ifølge Sandia var det første gang, en fejltolerant processor blev benchmarked på denne måde. 12

Det er væsentligt, fordi QUOPS ikke kun er rettet mod nutidens støjende fysiske qubits. Samme grundidé kan bruges til systemer, der benytter kodning og fejlkorrektion. Demonstrationen betyder dog ikke, at fejltolerante systemer allerede er bedre på alle mål end fysiske qubit-arkitekturer. Dens værdi er snarere, at den giver et fælles måleværktøj til at følge overgangen mod større logiske systemer. 13

Sådan bør resultaterne læses

QUOPS er et forsøg på at flytte samtalen fra spørgsmålet "Hvor mange qubits har den?" til "Hvor meget pålidelig, universel beregning kan den faktisk gennemføre?" Resultaterne illustrerer, at forbindelser og præcision kan løfte den maksimale kredsløbsstørrelse, mens hurtige porte kan forbedre tempoet.

Samtidig er resultaterne foreløbige. De kommer fra et preprint på arXiv, som endnu ikke er fagfællebedømt. Derfor bør benchmarkens definitioner, succesgrænser og fremskrivninger til store anvendelser betragtes med forbehold, indtil arbejdet er blevet gransket og uafhængigt reproduceret. 5