QUOPS: πέρα από τον αριθμό qubits στη συνολική απόδοση κβαντικών υπολογιστών

Οι αριθμοί qubits και οι επιδόσεις μεμονωμένων πυλών δεν αρκούν για να δείξουν τι μπορεί να κάνει ένας κβαντικός υπολογιστής σε μια πραγματική εργασία. Το QUOPS (Quantum Universal Operations Performance System) προτείνει μια διαφορετική μέτρηση: πόσο μεγάλη, γενικά χρήσιμη κβαντική εκτέλεση ολοκληρώνει αξιόπιστα ένα σύστημα και με ποια ταχύτητα. Η εργασία καθοδηγήθηκε από τα Sandia National Laboratories, με συνεισφορές της Quantinuum στις επιδείξεις υλικού και της NVIDIA σε ανοικτή υλοποίηση CUDA-Q. 13

Τι μετρά το QUOPS

Το QUOPS είναι ένα ανεξάρτητο από αρχιτεκτονική benchmark για φυσικά και λογικά qubits. Αντί να δοκιμάζει ένα μόνο αλγοριθμικό πρόβλημα, τρέχει τα ίδια τυχαιοποιημένα, υπολογιστικά καθολικά κυκλώματα σε διαφορετικά σχήματα και μεγέθη. Η επιτυχία κάθε φόρτου εργασίας αξιολογείται με κριτήριο πιστότητας/πόλωσης· μόνο τα κυκλώματα που περνούν το επιλεγμένο όριο θεωρούνται επιτυχημένα. 23

Από αυτές τις δοκιμές προκύπτουν δύο συμπληρωματικές μετρικές:

• Q (QUOPS score): το μέγεθος, σε κβαντικές λειτουργίες, του μεγαλύτερου κυκλώματος που περνά αξιόπιστα το κριτήριο.
• ω (QUOPS rate): ο αποτελεσματικός ρυθμός με τον οποίο εκτελούνται αυτές οι επιτυχημένες λειτουργίες, δηλαδή QUOPS ανά δευτερόλεπτο.

Η διάκριση είναι ουσιώδης. Ένα μηχάνημα μπορεί να εκτελεί μικρότερες εργασίες γρήγορα, ενώ ένα άλλο μπορεί να φτάνει σε μεγαλύτερα κυκλώματα με χαμηλότερο ρυθμό. Το QUOPS επιδιώκει να αποτυπώσει και τις δύο πλευρές της ικανότητας. 12

Γιατί είναι μέτρηση «ολόκληρου συστήματος»

Η εκτέλεση ενός κυκλώματος εξαρτάται από πολύ περισσότερα από την ονομαστική ποιότητα του επεξεργαστή. Η χαρτογράφηση του κυκλώματος, η δρομολόγηση μεταξύ qubits, η τοπολογία συνδεσιμότητας, ο έλεγχος, οι μετρήσεις και ο θόρυβος μπορούν όλα να περιορίσουν το τελικό αποτέλεσμα. Το QUOPS έχει σχεδιαστεί ώστε αυτά τα κόστη να εμφανίζονται στο σκορ, αντί να απομονώνονται σε ξεχωριστές προδιαγραφές υλικού. 12

Αυτό σημαίνει ότι δεν πρόκειται για κατάταξη με βάση έναν μόνο αριθμό. Είναι μια προσπάθεια να χαρτογραφηθεί το όριο της αξιόπιστης υπολογιστικής ικανότητας ενός πλήρους κβαντικού συστήματος. 3

Τι έδειξαν οι δοκιμές σε Willow, Boston και Helios

Οι αρχικές συγκρίσεις ανέδειξαν ένα σαφές trade-off μεταξύ μεγέθους κυκλώματος και ταχύτητας:

• Τα υπεραγώγιμα συστήματα Google Willow και IBM Boston εμφάνισαν υψηλότερους ρυθμούς λειτουργιών.
• Το παγιδευμένων ιόντων Quantinuum Helios υποστήριξε μεγαλύτερα κυκλώματα που πληρούσαν το κριτήριο του benchmark. 45

Η ερμηνεία που προκύπτει είναι ότι η ταχύτητα των υπεραγώγιμων πυλών βοηθά τον ρυθμό εκτέλεσης, ενώ η υψηλή ακρίβεια και η αποτελεσματικά all-to-all συνδεσιμότητα του Helios περιορίζουν το κόστος δρομολόγησης. Έτσι, μπορούν να συσσωρευτούν λιγότερα σφάλματα προτού ένα κύκλωμα γίνει υπερβολικά μεγάλο για αξιόπιστη εκτέλεση. 25

Οι αναφερόμενες φυσικές βαθμολογίες Q ήταν 1.504 για το Helios-1, 216 για το Willow και 204 για το IBM Boston. Αυτές οι τιμές δεν σημαίνουν ότι ένα σύστημα είναι καθολικά «καλύτερο»: περιγράφουν ένα συγκεκριμένο σημείο στον συμβιβασμό ανάμεσα σε μέγεθος αξιόπιστης εκτέλεσης και throughput. 7

Πόσο απέχουν οι σημερινές μηχανές από εφαρμογές μεγάλης κλίμακας;

Η προδημοσίευση εκτιμά στόχους περίπου 2,5 × 10⁸ QUOPS για παραγοντοποίηση RSA-2048 και 3,4 × 10⁸ QUOPS για υπολογισμούς υψηλής ακρίβειας του FeMoco. Σε αυτή τη βάση, τα σημερινά φυσικά-qubit συστήματα απέχουν περίπου πέντε τάξεις μεγέθους, ή γύρω στις 100.000 φορές, από την κλίμακα που απαιτούν αυτές οι απαιτητικές εφαρμογές. 57

Πρόκειται για εκτιμήσεις πόρων και όχι για χρονοδιάγραμμα. Εξαρτώνται από υποθέσεις για αλγορίθμους, κώδικες διόρθωσης σφαλμάτων και αρχιτεκτονικές, άρα δεν προβλέπουν πότε κάποιο συγκεκριμένο μηχάνημα θα εκτελέσει RSA-2048 ή θα λύσει ένα πρόβλημα FeMoco.

Το QUOPS σε λογικά qubits και ανοχή σφαλμάτων

Το benchmark εφαρμόστηκε επίσης σε μια επίδειξη ανοχής σφαλμάτων με έως οκτώ λογικά qubits στο Helios-1. Σύμφωνα με το Sandia, αυτή ήταν η πρώτη περίπτωση benchmarking ενός επεξεργαστή με ανοχή σφαλμάτων. 12

Αυτό είναι σημαντικό επειδή το QUOPS δεν περιορίζεται σε σημερινά θορυβώδη φυσικά qubits. Η ίδια βασική λογική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξετάζει συστήματα που αξιοποιούν κωδικοποίηση και διόρθωση σφαλμάτων. Ωστόσο, η επίδειξη δεν συνεπάγεται ότι η ανοχή σφαλμάτων υπερτερεί ήδη σε κάθε μέτρο των φυσικών αρχιτεκτονικών: η αξία της είναι ότι δημιουργεί κοινό τρόπο παρακολούθησης της μετάβασης προς μεγαλύτερα λογικά συστήματα. 13

Πώς να διαβαστούν τα αποτελέσματα

Το QUOPS είναι μια χρήσιμη προσπάθεια μετατόπισης της συζήτησης από το «πόσα qubits έχει;» στο «πόση αξιόπιστη, καθολική υπολογιστική εργασία ολοκληρώνει;». Οι δοκιμές δείχνουν ότι η συνδεσιμότητα και η ακρίβεια μπορούν να αυξήσουν το μέγιστο εφικτό μέγεθος κυκλώματος, ενώ η γρήγορη υλοποίηση πυλών μπορεί να βελτιώσει τον ρυθμό.

Παρόλα αυτά, τα ευρήματα προέρχονται από προδημοσίευση στο arXiv που δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους. Οι ορισμοί του benchmark, τα όρια επιτυχίας και οι προβολές προς εφαρμογές μεγάλης κλίμακας πρέπει επομένως να αντιμετωπίζονται ως προκαταρκτικά, μέχρι να εξεταστούν και να αναπαραχθούν ανεξάρτητα. 5