QUOPS: Bukan Sekadar Jumlah Qubit, Ini Ukuran Kemampuan Nyata Komputer Kuantum

Jumlah qubit dan performa gerbang individual belum cukup untuk menjawab pertanyaan yang lebih penting: seberapa banyak pekerjaan komputasi kuantum yang benar-benar dapat dituntaskan sebuah mesin secara andal?

Itulah yang ingin diukur oleh QUOPS (Quantum Universal Operations Performance System). Benchmark ini menilai ukuran komputasi kuantum berguna yang mampu dijalankan suatu sistem dengan berhasil, sekaligus kecepatannya. Riset ini dipimpin Sandia National Laboratories, dengan kontribusi Quantinuum pada demonstrasi perangkat keras dan NVIDIA pada implementasi terbuka di CUDA-Q. 13

Apa yang diukur QUOPS?

QUOPS adalah benchmark yang tidak bergantung pada arsitektur tertentu, sehingga dapat dipakai untuk sistem berbasis qubit fisik maupun qubit logis. Alih-alih menguji satu masalah algoritmik spesifik, QUOPS menjalankan sirkuit acak yang bersifat universal secara komputasional dalam berbagai bentuk dan ukuran.

Setiap beban kerja dinilai menggunakan kriteria berbasis fidelitas atau polarisasi. Hanya sirkuit yang melampaui ambang keberhasilan yang dipilih yang dihitung sebagai berhasil. 23

Dari pengujian ini, QUOPS menghasilkan dua metrik yang saling melengkapi:

• Q (skor QUOPS): ukuran, dalam operasi kuantum, dari sirkuit terbesar yang masih memenuhi kriteria secara andal.
• ω (laju QUOPS): laju efektif pelaksanaan operasi-operasi yang berhasil tersebut, dalam QUOPS per detik.

Perbedaan keduanya penting. Satu mesin dapat menyelesaikan pekerjaan kecil dengan cepat, sedangkan mesin lain mungkin mampu menangani sirkuit lebih besar tetapi dengan laju lebih rendah. QUOPS dirancang untuk menangkap dua sisi kemampuan itu. 12

Mengapa ini disebut pengukuran sistem menyeluruh?

Hasil akhir sebuah sirkuit kuantum tidak hanya ditentukan oleh kualitas nominal prosesor. Kompilasi dan pemetaan sirkuit, perutean antar-qubit, topologi konektivitas, sistem kontrol, pengukuran, serta derau semuanya dapat membatasi hasilnya.

QUOPS sengaja memasukkan biaya-biaya tersebut ke dalam skor. Dengan kata lain, benchmark ini tidak hanya menilai komponen perangkat keras secara terpisah, tetapi kemampuan sistem kuantum secara utuh untuk menyelesaikan komputasi. 12

Karena itu, QUOPS bukan peringkat sederhana dengan satu angka yang menentukan mesin “terbaik”. Tujuannya adalah memetakan batas kemampuan komputasi andal suatu sistem. 3

Hasil Willow, Boston, dan Helios: ada pertukaran antara ukuran dan kecepatan

Pengujian awal memperlihatkan trade-off yang jelas antara ukuran sirkuit yang dapat dijalankan dan kecepatan eksekusinya:

• Sistem superkonduktor Google Willow dan IBM Boston menunjukkan laju operasi yang lebih tinggi.
• Sistem ion terperangkap Quantinuum Helios mampu mendukung sirkuit yang lebih besar sambil tetap memenuhi kriteria benchmark. 45

Penjelasan yang ditawarkan adalah kecepatan gerbang superkonduktor membantu meningkatkan laju eksekusi. Di sisi lain, akurasi tinggi dan konektivitas efektif all-to-all pada Helios mengurangi biaya perutean. Akibatnya, lebih sedikit galat yang terakumulasi sebelum sirkuit menjadi terlalu besar untuk dijalankan secara andal. 25

Skor Q fisik yang dilaporkan adalah 1.504 untuk Helios-1, 216 untuk Willow, dan 204 untuk IBM Boston. Angka-angka ini tidak berarti satu sistem unggul mutlak dalam segala hal. Nilainya menggambarkan posisi masing-masing pada kompromi antara ukuran eksekusi andal dan throughput. 7

Seberapa jauh jaraknya dari aplikasi skala besar?

Prapublikasi tersebut memperkirakan target sekitar 2,5 × 10⁸ QUOPS untuk faktorisasi RSA-2048 dan 3,4 × 10⁸ QUOPS untuk perhitungan energi FeMoco berakurasi tinggi. FeMoco adalah kofaktor logam pada enzim nitrogenase, yang sering dipakai sebagai contoh masalah kimia kuantum yang sangat menantang.

Berdasarkan estimasi itu, sistem qubit fisik saat ini masih tertinggal sekitar lima orde magnitudo—atau kurang lebih 100.000 kali—dari skala yang dibutuhkan aplikasi berat tersebut. 57

Namun, ini adalah estimasi kebutuhan sumber daya, bukan jadwal atau prediksi kapan mesin tertentu akan mampu memfaktorkan RSA-2048 maupun menyelesaikan masalah FeMoco. Hasilnya bergantung pada asumsi mengenai algoritme, kode koreksi galat, dan arsitektur sistem.

QUOPS juga diterapkan pada qubit logis dan toleransi galat

Benchmark ini turut digunakan pada demonstrasi toleransi galat dengan hingga delapan qubit logis di Helios-1. Menurut Sandia, ini merupakan kali pertama prosesor toleran galat dibenchmark dengan cara tersebut. 12

Hal ini penting karena QUOPS tidak hanya relevan bagi qubit fisik yang masih bising saat ini. Kerangka yang sama dapat dipakai untuk menilai sistem yang memanfaatkan pengodean dan koreksi galat.

Meski demikian, demonstrasi itu tidak otomatis berarti toleransi galat sudah unggul dalam semua ukuran dibandingkan arsitektur qubit fisik. Nilai utamanya adalah menyediakan cara bersama untuk melacak perkembangan menuju sistem logis yang lebih besar. 13

Cara membaca hasilnya

QUOPS menawarkan pergeseran fokus yang berguna: dari pertanyaan “berapa qubit yang dimiliki?” menjadi “berapa banyak komputasi universal yang andal dapat diselesaikan, dan seberapa cepat?”

Uji awal menunjukkan bahwa konektivitas dan akurasi dapat memperbesar sirkuit maksimum yang masih layak dijalankan, sedangkan implementasi gerbang yang cepat dapat meningkatkan laju operasi. Tetapi hasil ini berasal dari prapublikasi arXiv yang belum ditelaah sejawat. Karena itu, definisi benchmark, ambang keberhasilan, dan proyeksi menuju aplikasi skala besar masih perlu diperlakukan sebagai temuan awal sampai diuji dan direplikasi secara independen. 5