QUOPS måler mer enn antall qubits

Antall qubits og kvaliteten på enkeltoperasjoner forteller ikke nødvendigvis hva en kvantedatamaskin kan få til i en praktisk beregning. QUOPS (Quantum Universal Operations Performance System) er foreslått som en alternativ målestokk: Hvor stor, allment anvendelig kvanteberegning kan et system fullføre pålitelig, og hvor fort kan det gjøre det?

Arbeidet er ledet av Sandia National Laboratories. Quantinuum bidro med maskinvaredemonstrasjoner, mens NVIDIA bidro med en åpen implementering i CUDA-Q. 13

To tall for faktisk kapasitet

QUOPS er en arkitekturuavhengig referansetest som kan brukes på både fysiske og logiske qubits. I stedet for å teste én bestemt algoritme kjører den de samme tilfeldig genererte, beregningsuniverselle kretsene i ulike former og størrelser på forskjellige systemer.

Hver arbeidslast må oppfylle et valgt terskelkrav for fidelitet/polarisering for å telle som vellykket. 23 Derfra beregnes to utfyllende mål:

• Q, eller QUOPS-score: størrelsen, målt i kvanteoperasjoner, på den største kretsen som består kravet pålitelig.
• ω, eller QUOPS-rate: den effektive hastigheten for de vellykkede operasjonene, uttrykt som QUOPS per sekund.

Skillet betyr noe. En maskin kan gjennomføre mindre oppgaver raskt, mens en annen kan nå større kretser, men med lavere hastighet. QUOPS er laget for å synliggjøre begge sider av ytelsen. 12

Et mål for hele systemet

Om en kvantekrets lykkes, avhenger av langt mer enn den nominelle kvaliteten på prosessoren. Kompilering, plassering og ruting av qubits, maskinens konnektivitet, kontrollsystemer, målinger og støy påvirker sluttresultatet.

QUOPS forsøker å la slike kostnader slå ut i scoren, i stedet for at de skjules bak separate maskinvarespesifikasjoner. 12 Det er derfor ikke en enkel rangering basert på ett enkelt tall, men et forsøk på å beskrive grensen for et komplett kvantesystems pålitelige regnekapasitet. 3

Helios nådde større kretser, Willow og Boston var raskere

De første sammenligningene peker på en tydelig avveining mellom kretsstørrelse og gjennomstrømming:

• De superledende systemene Google Willow og IBM Boston hadde høyere operasjonsrate.
• Det ionefellebaserte systemet Quantinuum Helios kunne kjøre større kretser som oppfylte referansetestens krav. 45

Tolkningen er at raske superledende porter hjelper på hastigheten, mens Helios' høye presisjon og effektive all-to-all-konnektivitet reduserer behovet for ruting. Dermed kan færre feil hope seg opp før kretsen blir for stor til å kjøres pålitelig. 25

De rapporterte fysiske Q-scorene var 1 504 for Helios-1, 216 for Willow og 204 for IBM Boston. Det betyr ikke at ett system er best på alle områder. Tallene beskriver et bestemt kompromiss mellom størrelsen på den pålitelige beregningen og hvor raskt den kan utføres. 7

Omtrent 100 000 ganger unna krevende anvendelser

Forhåndspubliseringen anslår et behov på rundt 2,5 × 10⁸ QUOPS for faktorisering av RSA-2048 og 3,4 × 10⁸ QUOPS for høy-presisjonsberegninger av FeMoco, et sentralt molekylkompleks i nitrogenase. Målt mot dette ligger dagens systemer med fysiske qubits rundt fem størrelsesordener – eller cirka 100 000 ganger – under nivået som kreves for disse svært krevende oppgavene. 57

Dette er ressursanslag, ikke en tidsplan. De bygger på forutsetninger om algoritmer, feilkorrigeringskoder og arkitekturer, og sier derfor ikke når en bestemt maskin eventuelt vil kunne faktorisere RSA-2048 eller utføre en FeMoco-beregning.

Også testet på logiske qubits

QUOPS ble dessuten brukt på en feiltolerant demonstrasjon med opptil åtte logiske qubits på Helios-1. Ifølge Sandia var dette første gang en feiltolerant prosessor ble referansetested. 12

Det er viktig fordi rammeverket ikke bare er rettet mot dagens støyende, fysiske qubits. Den samme grunnideen kan brukes for systemer som benytter koding og feilkorreksjon. Demonstrasjonen viser likevel ikke at feiltolerante systemer allerede er overlegne fysiske arkitekturer på alle mål. Verdien ligger i å ha en felles måte å følge utviklingen mot større logiske systemer på. 13

Slik bør resultatene leses

QUOPS flytter oppmerksomheten fra spørsmålet «Hvor mange qubits har den?» til «Hvor mye pålitelig, universell kvanteberegning fullfører den?». Testene viser at konnektivitet og presisjon kan gi større mulige kretser, mens raske porter kan løfte gjennomføringshastigheten.

Samtidig er funnene presentert i en forhåndspublisering på arXiv og er ikke fagfellevurdert. Definisjonene i referansetesten, terskelverdiene og framskrivningene mot storskala anvendelser bør derfor betraktes som foreløpige inntil de er faglig vurdert og reprodusert uavhengig. 5