QUOPS vai além da contagem de qubits para medir a capacidade real dos computadores quânticos

Contar qubits não basta para dizer o que um computador quântico consegue fazer na prática. Tampouco analisar apenas a velocidade ou a fidelidade de uma porta quântica isolada. Um novo benchmark, chamado QUOPS (Quantum Universal Operations Performance System), propõe uma pergunta mais direta: qual é o maior cálculo quântico de uso geral que uma máquina consegue concluir com confiabilidade — e a que velocidade?

O trabalho foi liderado pelos Sandia National Laboratories, nos Estados Unidos, com contribuições da Quantinuum nas demonstrações de hardware e da NVIDIA em uma implementação aberta na plataforma CUDA-Q. 13

O que o QUOPS mede

O QUOPS é um benchmark independente da arquitetura, aplicável tanto a qubits físicos quanto a qubits lógicos. Em vez de testar um único algoritmo ou problema, ele executa os mesmos circuitos aleatórios computacionalmente universais em diferentes formatos e tamanhos.

Cada carga de trabalho só é considerada bem-sucedida se superar o limiar de fidelidade/polarização definido pelo benchmark. A partir daí, o método produz duas métricas complementares: 23

• Q, ou pontuação QUOPS: o tamanho, em operações quânticas, do maior circuito que passa de forma confiável pelo critério de sucesso.
• ω, ou taxa QUOPS: a taxa efetiva de execução dessas operações bem-sucedidas, medida em QUOPS por segundo.

A separação importa porque desempenho não é uma coisa só. Um sistema pode concluir tarefas menores muito rapidamente, enquanto outro pode suportar circuitos bem maiores, mas em ritmo mais lento. O QUOPS busca mostrar essas duas dimensões ao mesmo tempo. 12

Uma avaliação do sistema completo

O resultado de um circuito quântico depende de muito mais que o chip. A compilação do circuito, o roteamento entre qubits, a topologia de conectividade, os controles, as medições e o ruído podem limitar a execução final.

A proposta do QUOPS é fazer com que esses custos apareçam no resultado. Em outras palavras, ele não tenta isolar componentes do hardware em especificações separadas: tenta medir a fronteira da capacidade confiável de um sistema quântico completo. 123

Helios, Willow e IBM Boston: tamanho de circuito versus velocidade

As comparações iniciais revelaram um compromisso claro entre executar circuitos maiores e executar operações mais depressa:

• Os sistemas supercondutores Google Willow e IBM Boston apresentaram taxas de operações mais altas.
• O processador de íons aprisionados Quantinuum Helios suportou circuitos maiores que atenderam ao critério do benchmark. 45

A interpretação é que a velocidade das portas supercondutoras favorece a taxa de execução. Já a alta precisão e a conectividade efetivamente all-to-all — isto é, entre todos os qubits — do Helios reduzem o custo de roteamento. Com menos etapas extras e menos erros acumulados, torna-se possível chegar a circuitos maiores antes que a execução deixe de ser confiável. 25

As pontuações físicas Q divulgadas foram de 1.504 para o Helios-1, 216 para o Willow e 204 para o IBM Boston. Esses números não significam que uma máquina seja universalmente melhor que outra: eles descrevem uma posição específica na troca entre o tamanho da execução confiável e a taxa de processamento. 7

Ainda há uma distância de cerca de 100 mil vezes até aplicações exigentes

A pré-publicação estima metas de aproximadamente 2,5 × 10⁸ QUOPS para fatorar RSA-2048 e 3,4 × 10⁸ QUOPS para cálculos de alta precisão relacionados ao FeMoco, um cofator associado à enzima nitrogenase. Com essa referência, os sistemas atuais baseados em qubits físicos estão cerca de cinco ordens de grandeza — aproximadamente 100 mil vezes — abaixo da escala necessária para essas aplicações. 57

Isso não é um cronograma para quebrar RSA-2048 nem uma previsão de quando uma máquina resolverá um problema químico envolvendo FeMoco. São estimativas de recursos que dependem de hipóteses sobre algoritmos, códigos de correção de erros e arquiteturas de computação.

O benchmark também foi usado com qubits lógicos

O QUOPS foi aplicado ainda a uma demonstração tolerante a falhas com até oito qubits lógicos no Helios-1. Segundo os Sandia National Laboratories, foi o primeiro caso de benchmarking de um processador tolerante a falhas. 12

O ponto relevante é que a estrutura não se limita aos qubits físicos ruidosos disponíveis hoje. A mesma lógica pode ser usada para avaliar sistemas que recorrem à codificação e à correção de erros. Isso não quer dizer que a tolerância a falhas já supere as arquiteturas físicas em todos os indicadores; a utilidade da demonstração é oferecer uma forma comum de acompanhar a transição para sistemas lógicos maiores. 13

Como interpretar os resultados

O QUOPS ajuda a deslocar a discussão de “quantos qubits a máquina tem?” para “quanto trabalho quântico universal ela realmente conclui com confiabilidade?”. Os testes sugerem que conectividade e precisão podem elevar o tamanho máximo do circuito viável, enquanto portas mais rápidas podem melhorar a taxa de execução.

Mas há uma ressalva importante: os resultados vêm de uma pré-publicação no arXiv que ainda não passou por revisão por pares. Portanto, as definições do benchmark, os limiares de sucesso e as projeções para aplicações de grande escala devem ser tratados como preliminares, até que sejam examinados e reproduzidos de forma independente. 5