QUOPS: Penanda aras yang mengukur kemampuan sebenar komputer kuantum

Bilangan qubit dan prestasi gerbang kuantum secara berasingan tidak semestinya menunjukkan apa yang benar-benar boleh dilakukan oleh sebuah komputer kuantum dalam tugasan sebenar. QUOPS (Quantum Universal Operations Performance System) mengemukakan ukuran lain: sebesar mana pengiraan kuantum yang berguna dan umum boleh diselesaikan oleh sistem dengan andal, serta pada kelajuan berapa ia melakukannya.

Kajian ini dipimpin oleh Sandia National Laboratories, dengan Quantinuum menyumbang demonstrasi perkakasan dan NVIDIA menyediakan pelaksanaan sumber terbuka melalui platform CUDA-Q. 13

Apa yang diukur oleh QUOPS

QUOPS ialah penanda aras yang tidak bergantung pada seni bina tertentu, dan boleh digunakan untuk qubit fizikal atau qubit logik. Daripada menguji satu masalah algoritma khusus, ia menjalankan litar rawak yang bersifat sejagat secara pengiraan dalam pelbagai bentuk dan saiz pada sistem berlainan.

Setiap beban kerja hanya dikira berjaya apabila ia melepasi ambang yang ditetapkan melalui ukuran berasaskan kesetiaan atau polarisasi. 23

Daripada ujian itu, QUOPS menghasilkan dua metrik utama:

• Q (skor QUOPS): saiz, dalam operasi kuantum, bagi litar terbesar yang masih melepasi kriteria kebolehpercayaan.
• ω (kadar QUOPS): kadar efektif pelaksanaan operasi yang berjaya itu, iaitu QUOPS sesaat.

Perbezaan ini penting. Sesebuah mesin mungkin dapat menjalankan tugasan kecil dengan sangat pantas, manakala mesin lain mampu melaksanakan litar yang jauh lebih besar tetapi pada kadar lebih rendah. QUOPS cuba menangkap kedua-dua dimensi tersebut. 12

Mengapa ia menilai keseluruhan sistem

Keupayaan menjalankan litar kuantum tidak ditentukan oleh pemproses sahaja. Pemetaan dan penyusunan litar, penghalaan antara qubit, topologi kesalinghubungan, sistem kawalan, pengukuran serta hingar semuanya boleh mengehadkan hasil akhirnya.

QUOPS direka supaya kos dan kekangan ini turut tercermin dalam skor, bukannya dipisahkan sebagai spesifikasi perkakasan yang berdiri sendiri. 12 Dalam erti kata lain, ia bukan carta kedudukan berasaskan satu nombor mudah, tetapi percubaan untuk memetakan had pengiraan andal bagi sebuah sistem kuantum lengkap. 3

Willow, Boston dan Helios: saiz litar lawan kelajuan

Perbandingan awal memperlihatkan pertukaran yang jelas antara saiz litar dan kelajuan:

• Sistem superkonduktor Google Willow dan IBM Boston mencatat kadar operasi yang lebih tinggi.
• Sistem ion terperangkap Quantinuum Helios pula menyokong litar lebih besar yang masih memenuhi kriteria penanda aras. 45

Tafsiran yang dikemukakan ialah gerbang superkonduktor yang pantas membantu meningkatkan kadar pelaksanaan. Sebaliknya, ketepatan tinggi serta kesalinghubungan yang secara efektif all-to-all pada Helios mengurangkan keperluan penghalaan antara qubit. Ini dapat mengurangkan pengumpulan ralat sebelum litar menjadi terlalu besar untuk dilaksanakan secara andal. 25

Skor Q fizikal yang dilaporkan ialah 1,504 untuk Helios-1, 216 untuk Willow dan 204 untuk IBM Boston. Angka ini tidak bermakna satu sistem semestinya lebih baik dalam semua keadaan; ia menggambarkan kedudukan tertentu dalam pertukaran antara saiz pengiraan andal dan kadar pemprosesan. 7

Masih sekitar 100,000 kali daripada aplikasi besar

Pracetak tersebut menganggarkan sasaran kira-kira 2.5 × 10⁸ QUOPS untuk pemfaktoran RSA-2048 dan 3.4 × 10⁸ QUOPS bagi pengiraan tenaga FeMoco berketepatan tinggi. FeMoco ialah kofaktor dalam enzim nitrogenase yang sering digunakan sebagai contoh masalah kimia kuantum yang amat mencabar.

Berdasarkan anggaran ini, sistem qubit fizikal semasa masih kira-kira lima peringkat magnitud — atau sekitar 100,000 kali — di bawah skala yang diperlukan untuk aplikasi tersebut. 57

Namun, ini ialah anggaran sumber, bukannya jadual masa. Ia bergantung pada andaian tentang algoritma, kod pembetulan ralat dan seni bina, maka ia tidak meramalkan bila mana-mana mesin tertentu akan dapat memfaktorkan RSA-2048 atau menyelesaikan pengiraan FeMoco.

Turut digunakan pada qubit logik dan toleransi ralat

QUOPS turut digunakan dalam demonstrasi toleransi ralat pada Helios-1 yang melibatkan sehingga lapan qubit logik. Menurut Sandia, ini merupakan kali pertama sebuah pemproses toleran ralat ditanda aras. 12

Ini penting kerana QUOPS tidak terhad kepada qubit fizikal yang bising pada masa kini. Prinsip yang sama boleh digunakan untuk menilai sistem yang memakai pengekodan dan pembetulan ralat. Namun, demonstrasi itu bukan bukti bahawa toleransi ralat sudah mengatasi semua seni bina berasaskan qubit fizikal dalam setiap metrik. Nilai utamanya ialah menyediakan kaedah bersama untuk menjejak kemajuan menuju sistem logik yang lebih besar. 13

Cara membaca dapatan ini

QUOPS mengalihkan persoalan daripada “berapa banyak qubit yang ada?” kepada “berapa banyak kerja pengiraan sejagat yang boleh diselesaikan dengan andal, dan seberapa pantas?” Ujian awalnya menunjukkan kesalinghubungan dan ketepatan boleh membantu meningkatkan saiz litar maksimum, sementara pelaksanaan gerbang yang pantas boleh meningkatkan kadar operasi.

Namun, dapatan ini datang daripada pracetak di arXiv dan belum melalui semakan rakan sebaya. Oleh itu, takrif penanda aras, ambang kejayaan dan unjuran ke arah aplikasi berskala besar perlu dianggap sebagai awal sehingga ia dinilai serta dihasilkan semula secara bebas. 5