QUOPS wykracza poza liczbę kubitów: mierzy realną wydajność komputerów kwantowych

Liczba kubitów i parametry pojedynczych bramek nie mówią jeszcze, czy komputer kwantowy poradzi sobie z rzeczywistym zadaniem. QUOPS (Quantum Universal Operations Performance System) proponuje inne podejście: mierzy, jak duże uniwersalnie użyteczne obliczenie kwantowe system jest w stanie wykonać niezawodnie oraz z jaką szybkością. Badanie prowadziły Sandia National Laboratories, a Quantinuum uczestniczył w demonstracjach sprzętowych, zaś NVIDIA przygotowała otwartą implementację w CUDA-Q. 13

Co mierzy QUOPS

QUOPS to benchmark niezależny od architektury, przeznaczony zarówno dla kubitów fizycznych, jak i logicznych. Zamiast sprawdzać jeden konkretny algorytm, uruchamia te same losowe, uniwersalne obliczeniowo obwody kwantowe w różnych układach i rozmiarach. Każde obciążenie musi spełnić wybrane kryterium oparte na wierności/polaryzacji; tylko wtedy obwód uznaje się za wykonany z powodzeniem. 23

Z testów wynikają dwie uzupełniające się miary:

• Q (wynik QUOPS) — rozmiar, wyrażony liczbą operacji kwantowych, największego obwodu, który przechodzi kryterium wiarygodnego wykonania.
• ω (tempo QUOPS) — efektywna szybkość wykonywania tych udanych operacji, czyli liczba QUOPS na sekundę.

To rozróżnienie ma znaczenie. Jeden komputer może szybko realizować mniejsze zadania, a drugi — wykonywać większe obwody, ale wolniej. QUOPS ma pokazywać oba wymiary możliwości systemu. 12

Benchmark całego systemu, a nie samego procesora

Na wykonanie obwodu wpływa znacznie więcej niż nominalna jakość procesora. Znaczenie mają m.in. kompilacja i mapowanie obwodu, przekazywanie informacji między kubitami, topologia połączeń, układy sterujące, pomiary i szum. QUOPS zaprojektowano tak, by te koszty wpływały na końcowy wynik, zamiast pozostawać oddzielnymi specyfikacjami sprzętowymi. 12

Nie jest to więc ranking oparty na jednej liczbie. To próba wyznaczenia granicy wiarygodnej zdolności obliczeniowej kompletnego systemu kwantowego. 3

Willow, Boston i Helios: szybkość kontra wielkość obwodu

Pierwsze porównania ujawniły wyraźny kompromis między rozmiarem obwodu a szybkością jego realizacji:

• nadprzewodnikowe systemy Google Willow i IBM Boston uzyskały wyższe tempo operacji;
• jonowy Quantinuum Helios obsłużył większe obwody spełniające kryterium benchmarku. 45

Interpretacja jest taka, że duża szybkość bramek nadprzewodnikowych sprzyja przepustowości, natomiast wysoka dokładność Heliosa i jego efektywnie pełna łączność między kubitami ograniczają koszt przekierowywania operacji. Dzięki temu błędy mogą narastać wolniej, zanim obwód stanie się zbyt duży, by wykonać go wiarygodnie. 25

Podane fizyczne wyniki Q wyniosły 1504 dla Helios-1, 216 dla Willow i 204 dla IBM Boston. Nie oznacza to jednak, że jeden system jest bezwarunkowo „lepszy” od pozostałych — wartości opisują konkretny punkt kompromisu między rozmiarem niezawodnego obliczenia a jego przepustowością. 7

Jak daleko jest do zastosowań na dużą skalę?

Preprint szacuje, że rozkład RSA-2048 na czynniki wymagałby około 2,5 × 10⁸ QUOPS, a wysokoprecyzyjne obliczenia dotyczące FeMoco — około 3,4 × 10⁸ QUOPS. W tym ujęciu obecne systemy oparte na kubitach fizycznych dzieli od takich zastosowań mniej więcej pięć rzędów wielkości, czyli około 100 000 razy. 57

Są to szacunki zasobów, nie harmonogram rozwoju technologii. Zależą od założeń dotyczących algorytmów, kodów korekcji błędów i architektury systemu, dlatego nie przewidują daty, w której konkretna maszyna złamie RSA-2048 lub przeprowadzi obliczenia FeMoco.

Kubity logiczne i tolerancja błędów

Benchmark zastosowano także w demonstracji tolerancji błędów na Helios-1, wykorzystującej maksymalnie osiem kubitów logicznych. Według Sandia był to pierwszy przypadek benchmarkowania procesora odpornego na błędy. 12

Jest to istotne, ponieważ QUOPS nie ogranicza się do dzisiejszych, zaszumionych kubitów fizycznych. Ta sama podstawowa metoda może służyć do oceny systemów wykorzystujących kodowanie i korekcję błędów. Demonstracja nie dowodzi jednak, że tolerancja błędów już teraz wygrywa z architekturami opartymi na kubitach fizycznych pod każdym względem. Jej znaczenie polega na stworzeniu wspólnej miary śledzenia przejścia do większych systemów logicznych. 13

Jak interpretować te wyniki

QUOPS jest próbą przesunięcia debaty z pytania „ile ma kubitów?” na pytanie „ile wiarygodnej, uniwersalnej pracy obliczeniowej naprawdę wykonuje?”. Testy wskazują, że łączność i dokładność mogą zwiększać maksymalny osiągalny rozmiar obwodu, a szybkie bramki — poprawiać tempo wykonania.

Trzeba jednak zachować ostrożność: wyniki pochodzą z preprintu opublikowanego na arXiv, a więc tekst nie przeszedł jeszcze recenzji naukowej. Definicje benchmarku, progi sukcesu oraz projekcje dla zastosowań na dużą skalę należy traktować jako wstępne, dopóki nie zostaną niezależnie sprawdzone i odtworzone. 5