QUOPS : au-delà du nombre de qubits, mesurer la performance réelle des ordinateurs quantiques

Compter les qubits, ou mesurer la qualité d’une porte quantique isolée, ne suffit pas à dire ce qu’un ordinateur quantique peut accomplir dans une tâche concrète. Le benchmark QUOPS (Quantum Universal Operations Performance System) propose de poser une question plus utile : quelle est la plus grande exécution quantique d’usage général qu’un système peut mener à bien de façon fiable, et à quelle vitesse ?

Le travail a été dirigé par les Sandia National Laboratories, avec des démonstrations matérielles fournies par Quantinuum et une implémentation ouverte dans CUDA-Q apportée par NVIDIA. 13

Ce que mesure QUOPS

QUOPS est un benchmark indépendant de l’architecture, applicable aussi bien aux qubits physiques qu’aux qubits logiques. Au lieu de tester un unique algorithme, il exécute les mêmes circuits aléatoires et universels pour le calcul selon plusieurs formes et tailles. Pour être retenue, une charge de travail doit franchir un seuil de réussite fondé sur un critère de fidélité ou de polarisation. 23

Deux indicateurs complémentaires en sont tirés :

• Q, le score QUOPS : la taille, exprimée en opérations quantiques, du plus grand circuit qui satisfait de manière fiable le critère choisi ;
• ω, le débit QUOPS : la cadence effective à laquelle ces opérations réussies sont exécutées, en QUOPS par seconde.

Cette séparation est importante : une machine peut traiter très vite de petits circuits, tandis qu’une autre peut exécuter des circuits plus vastes, mais à un rythme inférieur. QUOPS cherche à rendre visibles ces deux dimensions de la capacité de calcul. 12

Un test de l’ensemble du système, pas seulement de la puce

L’exécution d’un circuit ne dépend pas uniquement du processeur. La compilation, le placement et le routage entre qubits, la topologie de connectivité, le contrôle, les mesures et le bruit peuvent tous dégrader le résultat final. QUOPS est conçu pour que ces coûts se reflètent dans le score, plutôt que d’être masqués derrière une liste de caractéristiques matérielles séparées. 12

Il ne s’agit donc pas d’un simple classement par un chiffre unique. Le cadre tente plutôt de délimiter la zone dans laquelle un système quantique complet reste capable d’exécuter des calculs fiables. 3

Willow, Boston et Helios : vitesse contre taille de circuit

Les premières comparaisons mettent en évidence un compromis net entre la taille des circuits et la vitesse d’exécution :

• les systèmes supraconducteurs Willow de Google et Boston d’IBM ont affiché des débits d’opérations plus élevés ;
• Helios de Quantinuum, fondé sur des ions piégés, a supporté des circuits plus grands satisfaisant le critère du benchmark. 45

L’interprétation avancée est que la rapidité des portes supraconductrices favorise le débit. À l’inverse, la précision élevée d’Helios et sa connectivité effective de type all-to-all — chaque qubit pouvant interagir avec les autres — réduisent le coût du routage. Les erreurs peuvent ainsi s’accumuler moins vite avant qu’un circuit ne devienne trop grand pour être exécuté de manière fiable. 25

Les scores physiques Q rapportés sont de 1 504 pour Helios-1, contre 216 pour Willow et 204 pour IBM Boston. Ces chiffres ne désignent pas un vainqueur universel : ils décrivent une position donnée dans le compromis entre taille maximale d’un calcul fiable et débit. 7

Encore environ 100 000 fois en dessous des applications les plus exigeantes

La prépublication estime qu’il faudrait environ 2,5 × 10⁸ QUOPS pour factoriser RSA-2048 et 3,4 × 10⁸ QUOPS pour des calculs de haute précision sur FeMoco, un cofacteur enzymatique étudié notamment pour la fixation biologique de l’azote. À cette aune, les systèmes actuels à qubits physiques se situeraient encore à environ cinq ordres de grandeur — soit près de 100 000 fois — de l’échelle requise pour ces applications exigeantes. 57

Ces valeurs sont des estimations de ressources, non un calendrier. Elles dépendent d’hypothèses sur les algorithmes, les codes de correction d’erreurs et les architectures ; elles ne permettent donc pas de prédire quand une machine donnée exécutera RSA-2048 ou résoudra un problème de calcul sur FeMoco.

QUOPS également appliqué aux qubits logiques

Le benchmark a aussi été appliqué à une démonstration tolérante aux fautes allant jusqu’à huit qubits logiques sur Helios-1. Selon Sandia, il s’agit du premier cas de benchmarking d’un processeur tolérant aux fautes. 12

Le point important est que QUOPS ne se limite pas aux qubits physiques bruités d’aujourd’hui. Sa logique peut également servir à suivre les systèmes utilisant l’encodage et la correction d’erreurs. Cette démonstration ne signifie toutefois pas que la tolérance aux fautes surpasse déjà les architectures physiques sur tous les indicateurs : son intérêt est surtout d’offrir une méthode commune pour mesurer la transition vers des systèmes logiques plus grands. 13

Comment interpréter ces résultats

QUOPS contribue à déplacer la discussion de « combien de qubits ? » vers « quelle quantité de calcul quantique universel et fiable le système termine-t-il réellement ? ». Les essais suggèrent que la connectivité et la précision peuvent accroître la taille maximale des circuits réalisables, tandis que des portes rapides peuvent améliorer le débit.

Une réserve demeure essentielle : les résultats viennent d’une prépublication déposée sur arXiv, qui n’a pas encore été évaluée par les pairs. Les définitions du benchmark, les seuils de réussite et les projections vers des applications à grande échelle doivent donc être considérés comme préliminaires, en attendant un examen scientifique et des reproductions indépendantes. 5