QUOPS: क्वांटम कंप्यूटर वास्तव में कितना काम कर सकता है?

किसी क्वांटम कंप्यूटर में क्यूबिट की संख्या या किसी एक गेट की फिडेलिटी यह बताने के लिए पर्याप्त नहीं है कि वह वास्तविक गणनात्मक काम कितना कर पाएगा। QUOPS (Quantum Universal Operations Performance System) इसी अंतर को भरने का प्रयास है: यह मापता है कि कोई सिस्टम कितनी बड़ी, सामान्य उपयोग वाली क्वांटम गणना भरोसेमंद ढंग से पूरी कर सकता है और उसे किस गति से चला सकता है। इस काम का नेतृत्व Sandia National Laboratories ने किया; हार्डवेयर प्रदर्शनों में Quantinuum और ओपन-सोर्स CUDA-Q कार्यान्वयन में NVIDIA ने योगदान दिया। 13

QUOPS क्या मापता है?

QUOPS एक ऐसा बेंचमार्क है जो अलग-अलग क्वांटम आर्किटेक्चर के लिए समान रूप से लागू होने का लक्ष्य रखता है। इसे भौतिक क्यूबिट और त्रुटि-सुधार के जरिए बने लॉजिकल क्यूबिट—दोनों पर इस्तेमाल किया जा सकता है। किसी एक एल्गोरिदम की परीक्षा लेने के बजाय, यह अलग-अलग आकृतियों और आकारों के समान यादृच्छिक, गणनात्मक रूप से सार्वभौमिक सर्किट चलाता है।

हर वर्कलोड की सफलता को फिडेलिटी/पोलराइज़ेशन-आधारित मानदंड से जांचा जाता है। सिर्फ वे सर्किट सफल माने जाते हैं जो तय सीमा को पार करते हैं। 23

इससे दो पूरक मेट्रिक निकलते हैं:

• Q (QUOPS स्कोर): क्वांटम ऑपरेशनों में उस सबसे बड़े सर्किट का आकार जो भरोसेमंद ढंग से मानदंड पार कर लेता है।
• ω (QUOPS दर): इन सफल ऑपरेशनों को चलाने की प्रभावी गति, यानी प्रति सेकंड QUOPS।

यह फर्क अहम है। एक मशीन छोटे काम बहुत तेजी से कर सकती है, जबकि दूसरी कम गति पर उससे बड़े सर्किट चला सकती है। QUOPS दोनों क्षमताओं को एक साथ सामने लाने की कोशिश करता है। 12

यह केवल चिप नहीं, पूरे सिस्टम को क्यों परखता है?

किसी क्वांटम सर्किट की अंतिम सफलता सिर्फ प्रोसेसर की घोषित गुणवत्ता पर निर्भर नहीं करती। सर्किट को हार्डवेयर पर मैप करना, क्यूबिट के बीच रूटिंग, कनेक्टिविटी टोपोलॉजी, नियंत्रण व्यवस्था, मापन और शोर—हर स्तर प्रदर्शन को सीमित कर सकता है। QUOPS को इस तरह बनाया गया है कि इन सभी लागतों का असर अंतिम स्कोर में दिखाई दे, न कि वे अलग-अलग हार्डवेयर स्पेसिफिकेशन में छिप जाएं। 12

इसलिए इसे एक नंबर से बनने वाली रैंकिंग नहीं समझना चाहिए। इसका उद्देश्य पूरे क्वांटम सिस्टम की भरोसेमंद गणनात्मक सीमा का नक्शा तैयार करना है। 3

Willow, Boston और Helios की तुलना में क्या दिखा?

शुरुआती परीक्षणों में सर्किट के आकार और निष्पादन गति के बीच स्पष्ट संतुलन दिखा:

• सुपरकंडक्टिंग सिस्टम Google Willow और IBM Boston ने ऑपरेशनों की अधिक दर दिखाई।
• ट्रैप्ड-आयन आधारित Quantinuum Helios बड़े सर्किटों को बेंचमार्क मानदंड के भीतर चलाने में सक्षम रहा। 45

इसका संभावित कारण यह है कि सुपरकंडक्टिंग गेट की तेज गति ऑपरेशन दर बढ़ाती है। दूसरी ओर, Helios की उच्च सटीकता और प्रभावी all-to-all कनेक्टिविटी रूटिंग की लागत घटाती है। नतीजतन, सर्किट के अविश्वसनीय होने से पहले उसमें कम त्रुटियां जमा होती हैं और उसे बड़ा बनाया जा सकता है। 25

रिपोर्ट किए गए भौतिक Q स्कोर Helios-1 के लिए 1,504, Willow के लिए 216 और IBM Boston के लिए 204 थे। इन अंकों का अर्थ यह नहीं कि कोई एक सिस्टम हर मायने में “बेहतर” है। वे भरोसेमंद सर्किट आकार और थ्रूपुट के बीच एक खास संतुलन को दर्शाते हैं। 7

बड़े उपयोगों से अभी कितनी दूरी है?

प्रीप्रिंट में RSA-2048 के फैक्टराइजेशन के लिए करीब 2.5 × 10⁸ QUOPS और FeMoco की उच्च-सटीकता ऊर्जा गणना के लिए करीब 3.4 × 10⁸ QUOPS के लक्ष्य अनुमानित किए गए हैं। इस आधार पर आज के भौतिक-क्यूबिट सिस्टम इन कठिन अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक स्तर से लगभग पांच ऑर्डर ऑफ मैग्निट्यूड, यानी करीब 1,00,000 गुना, पीछे हैं। 57

ये संसाधन अनुमान हैं, कोई समय-सीमा नहीं। इनमें एल्गोरिदम, त्रुटि-सुधार कोड और आर्किटेक्चर के बारे में धारणाएं शामिल हैं। इसलिए इससे यह निष्कर्ष नहीं निकलता कि कोई खास मशीन कब RSA-2048 को फैक्टर करेगी या FeMoco की समस्या हल करेगी।

लॉजिकल क्यूबिट और फॉल्ट-टॉलरेंस पर भी प्रयोग

यह बेंचमार्क Helios-1 पर अधिकतम आठ लॉजिकल क्यूबिट वाले फॉल्ट-टॉलरेंट प्रदर्शन पर भी लागू किया गया। Sandia के अनुसार, यह किसी फॉल्ट-टॉलरेंट प्रोसेसर का पहला बेंचमार्किंग प्रदर्शन था। 12

यह महत्वपूर्ण है क्योंकि QUOPS केवल आज के शोरयुक्त भौतिक क्यूबिट तक सीमित नहीं है। यही मूल तरीका उन सिस्टमों के मूल्यांकन में भी इस्तेमाल किया जा सकता है जो क्यूबिट एन्कोडिंग और त्रुटि-सुधार अपनाते हैं। हालांकि, इस प्रदर्शन का यह मतलब नहीं कि फॉल्ट-टॉलरेंस हर पैमाने पर भौतिक-क्यूबिट आर्किटेक्चर से आगे निकल चुका है। इसका महत्व एक साझा मापदंड बनाने में है, जिससे बड़े लॉजिकल सिस्टमों की ओर प्रगति को ट्रैक किया जा सके। 13

इन नतीजों को कैसे समझें?

QUOPS चर्चा को “इसमें कितने क्यूबिट हैं?” से हटाकर “यह भरोसेमंद ढंग से कितनी सार्वभौमिक क्वांटम गणना पूरी कर सकता है?” तक ले जाने की उपयोगी कोशिश है। परीक्षण बताते हैं कि कनेक्टिविटी और सटीकता अधिकतम संभव सर्किट आकार बढ़ा सकती हैं, जबकि तेज गेट निष्पादन दर सुधार सकते हैं।

फिर भी, ये निष्कर्ष arXiv पर प्रकाशित एक प्रीप्रिंट से हैं, जिसकी अभी सहकर्मी समीक्षा नहीं हुई है। इसलिए बेंचमार्क की परिभाषाओं, सफलता-सीमाओं और बड़े अनुप्रयोगों तक के अनुमानों को स्वतंत्र जांच और पुनरुत्पादन होने तक प्रारंभिक निष्कर्षों के रूप में ही देखना चाहिए। 5