QUOPS, il benchmark che misura cosa sa davvero eseguire un computer quantistico

I qubit dichiarati da un processore e la qualità delle sue singole porte logiche non bastano, da soli, a dire quale calcolo un computer quantistico riesca davvero a portare a termine. QUOPS (Quantum Universal Operations Performance System) propone di misurare un aspetto più concreto: quanto grande sia una computazione quantistica di uso generale che il sistema completa in modo affidabile e a quale ritmo.

Il lavoro è guidato dai Sandia National Laboratories, laboratorio nazionale statunitense, con contributi di Quantinuum per le dimostrazioni hardware e di NVIDIA per un’implementazione open source in CUDA-Q. 13

Che cosa misura QUOPS

QUOPS è un benchmark indipendente dall’architettura, applicabile sia ai qubit fisici sia ai qubit logici protetti dalla correzione degli errori. Invece di valutare un unico algoritmo o problema applicativo, esegue gli stessi circuiti casuali computazionalmente universali su macchine con forme e dimensioni differenti. Un carico di lavoro è considerato riuscito soltanto se supera una soglia di fedeltà/polarizzazione stabilita dal benchmark. 23

Da queste prove derivano due indicatori complementari:

• Q, il punteggio QUOPS: la dimensione, espressa in operazioni quantistiche, del più grande circuito che supera in modo affidabile il criterio;
• ω, il tasso QUOPS: la velocità effettiva con cui vengono completate quelle operazioni riuscite, cioè i QUOPS al secondo.

La distinzione è importante: una macchina può eseguire rapidamente calcoli più piccoli, mentre un’altra può arrivare a circuiti molto più grandi ma con un ritmo inferiore. QUOPS cerca di rappresentare entrambi gli aspetti della capacità di calcolo. 12

Un test dell’intero sistema, non del solo chip

L’esecuzione di un circuito dipende da più fattori della qualità nominale del processore. Pesano, fra gli altri, la compilazione del circuito, l’instradamento delle operazioni fra qubit, la topologia di connettività, il sistema di controllo, le misure e il rumore. QUOPS è progettato affinché questi costi emergano nel punteggio finale, anziché restare separati in una serie di specifiche tecniche. 12

Non è quindi una classifica basata su un solo numero: l’obiettivo è delineare il limite della capacità di calcolo affidabile di un sistema quantistico completo. 3

Willow, IBM Boston e Helios: il compromesso tra dimensione e velocità

I primi confronti evidenziano un chiaro compromesso fra la dimensione dei circuiti eseguibili e la velocità:

• i sistemi superconduttivi Google Willow e IBM Boston hanno mostrato tassi di operazioni più elevati;
• Quantinuum Helios, basato su ioni intrappolati, ha supportato circuiti più grandi che soddisfacevano il criterio del benchmark. 45

L’interpretazione proposta è che la rapidità delle porte superconduttive favorisca il ritmo di esecuzione. Dall’altra parte, l’alta precisione e la connettività effettivamente all-to-all di Helios riducono il costo di instradamento: si accumulano quindi meno errori prima che un circuito diventi troppo grande per essere eseguito in modo affidabile. 25

I punteggi fisici Q riportati sono 1.504 per Helios-1, 216 per Willow e 204 per IBM Boston. Non significano che una piattaforma sia in assoluto «migliore» delle altre: indicano invece una posizione specifica nel compromesso tra ampiezza della computazione affidabile e throughput. 7

Quanto manca alle applicazioni su larga scala

Il preprint stima obiettivi nell’ordine di 2,5 × 10⁸ QUOPS per la fattorizzazione di RSA-2048 e di 3,4 × 10⁸ QUOPS per calcoli ad alta precisione sull’energia di FeMoco, il cofattore ferro-molibdeno coinvolto nella fissazione biologica dell’azoto. Sulla base di queste stime, gli attuali sistemi a qubit fisici sono ancora circa cinque ordini di grandezza — approssimativamente 100.000 volte — sotto la scala richiesta da tali applicazioni impegnative. 57

Si tratta però di stime delle risorse, non di una previsione sui tempi. Dipendono da ipotesi su algoritmi, codici di correzione degli errori e architetture; non dicono quindi quando una macchina specifica sarà in grado di fattorizzare RSA-2048 o di risolvere un problema FeMoco.

Anche qubit logici e tolleranza agli errori

Il benchmark è stato applicato anche a una dimostrazione di tolleranza agli errori su Helios-1, con fino a otto qubit logici. Secondo Sandia, è la prima volta che viene sottoposto a benchmarking un processore fault-tolerant. 12

Il punto è rilevante perché QUOPS non si limita ai qubit fisici rumorosi disponibili oggi. La stessa logica può essere usata per valutare sistemi che impiegano codifica e correzione degli errori. La dimostrazione non prova però che la tolleranza agli errori superi già le architetture fisiche in ogni metrica: il suo valore è offrire un riferimento comune per seguire il passaggio verso sistemi logici più grandi. 13

Come leggere questi risultati

QUOPS è un tentativo utile di spostare la domanda da «quanti qubit ha?» a «quanto lavoro quantistico universale e affidabile completa davvero?». Le prove suggeriscono che connettività e accuratezza possono aumentare la dimensione massima dei circuiti eseguibili, mentre porte più rapide possono migliorare il tasso di esecuzione.

Resta una cautela essenziale: i risultati derivano da un preprint pubblicato su arXiv e non ancora sottoposto a revisione paritaria. Definizioni del benchmark, soglie di successo e proiezioni verso applicazioni su larga scala vanno quindi considerati preliminari, finché non saranno valutati e riprodotti in modo indipendente. 5