QUOPS kijkt verder dan qubits: wat een quantumcomputer echt aankan

Een quantumcomputer met meer qubits is niet automatisch bruikbaarder. Ook uitstekende scores voor afzonderlijke quantumpoorten vertellen nog niet of een machine een complexe berekening als geheel betrouwbaar kan afmaken. De benchmark QUOPS — voluit Quantum Universal Operations Performance System — wil precies dat zichtbaar maken: hoe groot een algemeen bruikbaar quantumcircuit een systeem betrouwbaar kan uitvoeren, én met welke snelheid.

Het onderzoek werd geleid door Sandia National Laboratories. Quantinuum leverde bijdragen aan de hardwaredemonstraties en NVIDIA aan een opensource-implementatie in CUDA-Q. 13

Twee maten voor praktische rekenkracht

QUOPS is ontworpen als architectuuronafhankelijke benchmark voor zowel fysieke als logische qubits. In plaats van één specifiek algoritme te testen, laat de methode dezelfde gerandomiseerde, computationeel universele circuits draaien in uiteenlopende vormen en groottes. Een circuit telt pas mee wanneer het aan een gekozen betrouwbaarheidsdrempel op basis van fideliteit/polarisatie voldoet. 23

Daaruit volgen twee complementaire maten:

• Q, de QUOPS-score: de omvang, uitgedrukt in quantumoperaties, van het grootste circuit dat betrouwbaar door de test komt.
• ω, de QUOPS-snelheid: het effectieve tempo waarmee die geslaagde operaties worden uitgevoerd, in QUOPS per seconde.

Dat onderscheid is belangrijk. Een computer kan kleine taken zeer snel uitvoeren, terwijl een andere grotere circuits aankan maar daar langer over doet. QUOPS probeert beide kanten van de prestatie in één kader te vangen. 12

Waarom dit een test van het hele systeem is

Of een quantumcircuit slaagt, hangt niet alleen af van de chip. Ook het vertalen van een circuit naar hardware, routering tussen qubits, de verbindingsstructuur, besturing, metingen en ruis bepalen het eindresultaat. QUOPS is juist zo opgezet dat deze factoren in de score terugkomen, in plaats van apart als losse hardwarespecificaties te worden vermeld. 12

Het doel is dus niet één universeel ranglijstcijfer. De benchmark probeert de grens in kaart te brengen van wat een compleet quantumsysteem betrouwbaar kan berekenen. 3

Willow, Boston en Helios: grotere circuits versus hogere snelheid

De eerste vergelijkingen tonen een duidelijke afruil tussen circuitgrootte en doorvoersnelheid:

• De supergeleidende systemen Google Willow en IBM Boston haalden hogere operationele snelheden.
• Quantinuum Helios, gebaseerd op gevangen ionen, kon grotere circuits uitvoeren die aan de benchmarkdrempel voldeden. 45

De interpretatie is dat snelle supergeleidende poorten gunstig zijn voor de uitvoersnelheid. De hoge nauwkeurigheid en in de praktijk all-to-all-connectiviteit van Helios beperken daarentegen de routeringskosten. Daardoor kunnen minder fouten zich opstapelen voordat een circuit te groot wordt om nog betrouwbaar te draaien. 25

De gemelde fysieke Q-scores waren 1.504 voor Helios-1, 216 voor Willow en 204 voor IBM Boston. Dat betekent niet dat één systeem in elk opzicht beter is: de waarden beschrijven een positie in de afruil tussen de maximaal betrouwbare circuitgrootte en de doorvoer. 7

Nog ongeveer 100.000 keer te weinig voor zeer zware toepassingen

De preprint schat dat toepassingen zoals het factoriseren van RSA-2048 ongeveer 2,5 × 10⁸ QUOPS zouden vereisen. Voor nauwkeurige energieberekeningen van FeMoco — een belangrijk katalytisch onderdeel van het enzym nitrogenase — ligt de schatting op 3,4 × 10⁸ QUOPS. 57

Vergeleken met die doelen zitten de huidige systemen met fysieke qubits ongeveer vijf ordes van grootte, oftewel rond de 100.000 keer, onder de benodigde schaal. Het gaat daarbij om ramingen van benodigde rekenmiddelen, niet om een voorspelling van wanneer een bepaalde machine RSA-2048 kan kraken of FeMoco nauwkeurig kan doorrekenen. De uitkomsten hangen af van aannames over algoritmen, foutcorrectiecodes en hardwarearchitecturen.

Ook getest met logische qubits en fouttolerantie

QUOPS is eveneens toegepast op een fouttolerante demonstratie met maximaal acht logische qubits op Helios-1. Volgens Sandia was dit de eerste keer dat een fouttolerante processor op deze manier werd gebenchmarkt. 12

Dat is relevant omdat QUOPS niet beperkt blijft tot de huidige, ruisgevoelige fysieke qubits. Dezelfde basisaanpak kan ook systemen beoordelen die quantumfouten via codering en foutcorrectie aanpakken. De demonstratie betekent echter niet dat fouttolerante systemen nu al op elke maat beter presteren dan fysieke-qubitarchitecturen. De waarde zit vooral in een gemeenschappelijke meetlat voor de overgang naar grotere logische systemen. 13

Hoe deze uitkomsten te lezen

QUOPS verlegt de vraag van „hoeveel qubits heeft deze computer?” naar „hoeveel betrouwbare, universeel toepasbare rekenarbeid krijgt hij daadwerkelijk af?”. De eerste tests suggereren dat connectiviteit en nauwkeurigheid de haalbare circuitgrootte kunnen vergroten, terwijl snelle poorten de uitvoersnelheid kunnen verhogen.

Tegelijk zijn de bevindingen afkomstig uit een arXiv-preprint die nog niet door vakgenoten is beoordeeld. De benchmarkdefinities, succesdrempels en projecties naar toepassingen op grote schaal blijven daarom voorlopig, totdat onafhankelijke partijen ze hebben getoetst en gerepliceerd. 5