QUOPS siirtää kvanttitietokoneiden vertailun kubittimääristä todelliseen suorituskykyyn

Kvanttitietokoneesta kerrotaan usein ensimmäiseksi kubittien määrä. Se ei kuitenkaan yksin kerro, kuinka suuren hyödyllisen laskennan laite pystyy viemään luotettavasti loppuun. Uusi QUOPS-vertailu (Quantum Universal Operations Performance System) ehdottaa toisenlaista kysymystä: kuinka suuren yleiskäyttöisen kvanttilaskennan järjestelmä todella suorittaa onnistuneesti – ja kuinka nopeasti?

Sandia National Laboratoriesin johtamassa työssä Quantinuum osallistui laitedemonstraatioihin ja NVIDIA avoimen CUDA-Q-toteutuksen tekemiseen. 13

Mitä QUOPS mittaa?

QUOPS on arkkitehtuurista riippumaton vertailumenetelmä, jota voidaan käyttää sekä fyysisillä että loogisilla kubiteilla. Yhden algoritmin sijasta se ajaa eri muotoisia ja kokoisia satunnaistettuja, laskennallisesti universaaleja kvanttipiirejä. Piiri hyväksytään vain, jos sen onnistuminen ylittää ennalta asetetun tarkkuus- eli fideliteetti-/polarisaatiokriteerin. 23

Vertailu tiivistää tulokset kahteen suureeseen:

• Q (QUOPS-pisteet): kvanttioperaatioina ilmaistu suurimman luotettavasti hyväksytyn piirin koko.
• ω (QUOPS-nopeus): nopeus, jolla järjestelmä suorittaa näitä onnistuneita operaatioita, eli QUOPS-operaatiot sekunnissa.

Ero on olennainen: yksi kone voi suorittaa pienempiä tehtäviä hyvin nopeasti, kun taas toinen voi selviytyä selvästi suuremmista piireistä mutta hitaammalla tahdilla. QUOPS pyrkii kuvaamaan molempia suorituskyvyn puolia. 12

Kokonaisen järjestelmän mittari

Kvanttipiirin onnistuminen ei riipu vain prosessorin nimellisistä ominaisuuksista. Vaikutusta on esimerkiksi piirin käännöksellä, kubittien välisellä reitityksellä, laitteiston kytkeytyvyydellä, ohjauksella, mittauksilla ja kohinalla.

QUOPSin idea on, että nämä käytännön kustannukset näkyvät lopputuloksessa. Siksi se ei ole pelkkä yksittäisen laitekomponentin testi, vaan yritys mitata koko kvanttilaskentajärjestelmän luotettavan suorituskyvyn rajaa. 123

Helios suoritti suurempia piirejä, Willow ja Boston nopeammin

Alkuvertailuissa näkyi selvä kompromissi piirin koon ja suoritusnopeuden välillä:

• Googlen suprajohtava Willow ja IBM:n Boston saavuttivat suurempia operaationopeuksia.
• Quantinuumin loukkuionitekniikkaan perustuva Helios pystyi suorittamaan suurempia vertailukriteerin täyttäviä piirejä. 45

Tulkinnan mukaan suprajohtavien laitteiden nopeat kvanttiportit tukevat suurempaa läpimenoa. Heliosin suuri tarkkuus ja käytännössä kaikkien kubittien välinen kytkeytyvyys taas vähentävät reitityksen tarvetta. Tällöin virheitä ehtii kertyä vähemmän, ennen kuin piiri kasvaa liian suureksi luotettavaa suoritusta varten. 25

Raportoidut fyysisten kubittien Q-pisteet olivat Helios-1:lle 1 504, Willow’lle 216 ja IBM Bostonille 204. Luvut eivät silti tarkoita, että yksi kone olisi kaikissa käyttötarkoituksissa yksiselitteisesti paras. Ne kuvaavat tiettyä tasapainoa luotettavasti suoritettavan piirin koon ja suoritusnopeuden välillä. 7

Kuinka kaukana ollaan vaativista sovelluksista?

Esijulkaisussa arvioidaan, että RSA-2048-salauksen tekijöihin jakaminen vaatisi noin 2,5 × 10⁸ QUOPS ja FeMoco-molekyylin korkean tarkkuuden energialaskenta noin 3,4 × 10⁸ QUOPS. Näillä oletuksilla nykyiset fyysisiin kubitteihin perustuvat järjestelmät ovat noin viisi kertaluokkaa eli suunnilleen 100 000-kertaisesti jäljessä näiden vaativien sovellusten tarvitsemasta mittakaavasta. 57

Kyse on resurssiarvioista, ei aikatauluennusteista. Arviot riippuvat muun muassa käytetyistä algoritmeista, virheenkorjauskoodeista ja laitearkkitehtuureista. Ne eivät siis kerro, milloin jokin tietty laite kykenee murtamaan RSA-2048:n tai laskemaan FeMoco-ongelman.

Myös loogisia kubitteja ja vikakestävyyttä voitiin arvioida

QUOPSia sovellettiin myös Helios-1-järjestelmän vikakestävään demonstraatioon, jossa käytettiin enintään kahdeksaa loogista kubittia. Sandian mukaan kyse oli ensimmäisestä kerrasta, kun vikakestävää prosessoria vertailtiin benchmarkilla. 12

Tämä on merkittävää, koska mittari ei rajoitu nykyisiin kohinaisiin fyysisiin kubitteihin. Samaa perusideaa voidaan käyttää myös järjestelmissä, joissa laskentaa suojataan koodauksella ja virheenkorjauksella. Demonstraatio ei kuitenkaan tarkoita, että vikakestävä toteutus olisi jo kaikilla mittareilla fyysisiin kubitteihin perustuvia ratkaisuja parempi. Sen arvo on ennen kaikkea yhteisessä tavassa seurata kehitystä kohti suurempia loogisia järjestelmiä. 13

Tuloksia kannattaa lukea varauksella

QUOPS tarjoaa hyödyllisen tavan vaihtaa keskustelun painopistettä kysymyksestä "kuinka monta kubittia laitteessa on?" kysymykseen "kuinka paljon luotettavaa, universaalia kvanttilaskentaa se pystyy tekemään?"

Vertailu osoittaa, että kytkeytyvyys ja tarkkuus voivat kasvattaa toteuttamiskelpoisen piirin enimmäiskokoa, kun taas nopeat portit voivat nostaa suoritustahtia. Samalla tulokset perustuvat arXivissa julkaistuun esijulkaisuun, jota ei ole vielä vertaisarvioitu. Mittarin määritelmiä, hyväksymisrajoja ja sovellusmittakaavaan ulottuvia arvioita on siksi pidettävä alustavina, kunnes riippumattomat tutkijat ovat arvioineet ja toistaneet ne. 5