QUOPS: מעבר למספר הקיוביטים במדידת ביצועי מחשבים קוונטיים

מספר הקיוביטים וביצועי שערים בודדים אינם מספיקים כדי לקבוע מה מחשב קוונטי יכול לבצע במשימה ממשית. QUOPS — ראשי תיבות של Quantum Universal Operations Performance System — מציע מדד אחר: מהו גודל החישוב הקוונטי הכללי שמערכת יכולה להשלים באמינות, ובאיזה קצב. את העבודה הובילו המעבדות הלאומיות סנדיה (Sandia National Laboratories), כש־Quantinuum תרמה להדגמות החומרה ו־NVIDIA למימוש פתוח בפלטפורמת CUDA-Q. 13

מה מודד QUOPS

QUOPS הוא מדד שאינו תלוי בארכיטקטורה, ומתאים גם לקיוביטים פיזיים וגם לקיוביטים לוגיים. במקום לבדוק בעיה אלגוריתמית אחת, הוא מריץ את אותם מעגלים אקראיים בעלי אוניברסליות חישובית על מערכות בעלות צורות וגדלים שונים. הצלחתו של כל עומס עבודה נבחנת באמצעות סף המבוסס על נאמנות או קיטוב; רק מעגלים העוברים את הסף שנקבע נחשבים מוצלחים. 23

מן הבדיקות מתקבלים שני מדדים משלימים:

• Q (ציון QUOPS): גודלו, במספר פעולות קוונטיות, של המעגל הגדול ביותר שעובר את המבחן באמינות.
• ω (קצב QUOPS): הקצב האפקטיבי שבו מבוצעות הפעולות המוצלחות האלה — כלומר, QUOPS לשנייה.

ההבחנה הזו מהותית: מכונה אחת עשויה להריץ משימות קטנות יותר במהירות גבוהה, בעוד אחרת יכולה להגיע למעגלים גדולים יותר אך בקצב נמוך יותר. QUOPS מנסה ללכוד את שני ההיבטים של היכולת החישובית. 12

מדד של המערכת כולה, לא רק של השבב

הרצת מעגל קוונטי תלויה בהרבה יותר מאיכות נומינלית של המעבד. מיפוי המעגל, ניתוב בין קיוביטים, טופולוגיית הקישוריות, מערכות הבקרה, המדידות והרעש — כולם עשויים להגביל את התוצאה הסופית. QUOPS תוכנן כך שהעלויות הללו ישתקפו בציון, במקום שיופרדו למפרטי חומרה נפרדים. 12

לכן אין מדובר בדירוג המבוסס על מספר יחיד. זו מסגרת שנועדה למפות את גבול היכולת של מערכת קוונטית שלמה לבצע חישוב כללי באופן אמין. 3

מה הראו המבחנים ב־Willow, Boston ו־Helios

ההשוואות הראשונות הצביעו על פשרה ברורה בין גודל המעגל למהירות:

• המערכות העל־מוליכות Google Willow ו־IBM Boston הציגו קצבי פעולות גבוהים יותר.
• מערכת היונים הלכודים Quantinuum Helios תמכה במעגלים גדולים יותר שעמדו בתנאי המדד. 45

הפירוש העולה מן התוצאות הוא שמהירות השערים במערכות על־מוליכות מסייעת לקצב הביצוע, בעוד שהדיוק הגבוה והקישוריות האפקטיבית של כל־אל־כל ב־Helios מצמצמים את עלות הניתוב. כך עלולות להצטבר פחות שגיאות לפני שהמעגל נעשה גדול מדי להרצה אמינה. 25

ציוני ה־Q הפיזיים שדווחו היו 1,504 עבור Helios-1,‏ 216 עבור Willow ו־204 עבור IBM Boston. ערכים אלה אינם אומרים שמערכת אחת היא בהכרח "טובה יותר" בכל מובן; הם מתארים נקודה מסוימת בפשרה שבין גודל חישוב אמין לבין תפוקת ביצוע. 7

עד כמה רחוקות המערכות מיישומים גדולים?

הקדם־הדפסה מעריכה יעדים של כ־2.5 × 10⁸ QUOPS לפירוק RSA-2048 לגורמים, ושל כ־3.4 × 10⁸ QUOPS לחישובי אנרגיה מדויקים של FeMoco — גורם מפתח בתהליך קיבוע החנקן. לפי בסיס ההשוואה הזה, מערכות הקיוביטים הפיזיים הקיימות נמצאות במרחק של כחמש סדרי גודל, או בערך פי 100,000, מהיקף הביצועים הנדרש ליישומים התובעניים הללו. 57

אלה אומדני משאבים, לא לוח זמנים. הם תלויים בהנחות על אלגוריתמים, קודי תיקון שגיאות וארכיטקטורות, ולכן אינם מנבאים מתי מכונה מסוימת תוכל לפרק RSA-2048 או לפתור בעיית FeMoco.

גם לקיוביטים לוגיים ולסבילות לשגיאות

המדד יושם גם בהדגמה של סבילות לשגיאות עם עד שמונה קיוביטים לוגיים ב־Helios-1. לפי סנדיה, זו הייתה הפעם הראשונה שבה בוצע benchmarking למעבד בעל סבילות לשגיאות. 12

הנקודה חשובה משום ש־QUOPS אינו מוגבל לקיוביטים הפיזיים הרועשים של ימינו. אותה לוגיקה בסיסית יכולה לשמש לבחינת מערכות המשתמשות בקידוד ובתיקון שגיאות. עם זאת, ההדגמה אינה מעידה שסבילות לשגיאות כבר עולה על ארכיטקטורות פיזיות בכל מדד: ערכה הוא ביצירת דרך משותפת לעקוב אחר המעבר למערכות לוגיות גדולות יותר. 13

איך נכון לקרוא את התוצאות

QUOPS הוא ניסיון שימושי להסיט את הדיון מ"כמה קיוביטים יש למחשב?" אל השאלה "כמה עבודה קוונטית כללית ואמינה הוא משלים בפועל?". הבדיקות מצביעות על כך שקישוריות ודיוק עשויים להגדיל את גודל המעגל המקסימלי האפשרי, ואילו יישום מהיר של שערים עשוי לשפר את קצב הביצוע.

עם זאת, הממצאים מבוססים על קדם־הדפסה ב־arXiv שעדיין לא עברה ביקורת עמיתים. לכן יש להתייחס להגדרות המדד, לספי ההצלחה ולהשלכות על יישומים עתידיים כמסקנות ראשוניות, עד שייבחנו וייושמו מחדש באופן בלתי תלוי. 5