QUOPS: бенчмарк, который измеряет реальную вычислительную мощность квантового компьютера

Число кубитов и точность отдельных квантовых вентилей сами по себе ещё не отвечают на главный практический вопрос: какую вычислительную задачу машина действительно способна выполнить надёжно. Для этого исследователи предложили QUOPS — Quantum Universal Operations Performance System, систему сравнительного тестирования квантовых компьютеров.

Работу возглавили Sandia National Laboratories — национальные лаборатории США. В аппаратных демонстрациях участвовала Quantinuum, а NVIDIA предоставила открытую реализацию в платформе CUDA-Q. 13

Что именно измеряет QUOPS

QUOPS — архитектурно-независимый бенчмарк, применимый и к физическим, и к логическим кубитам. Вместо одного конкретного алгоритма он запускает на разных системах одинаковые рандомизированные вычислительно универсальные квантовые схемы различных форм и размеров. Схема засчитывается лишь тогда, когда её результат проходит выбранный порог по критерию, основанному на точности/поляризации. 23

Из таких испытаний выводятся два связанных показателя:

• Q, или QUOPS score — размер, выраженный в квантовых операциях, крупнейшей схемы, которую система способна надёжно выполнить;
• ω, или QUOPS rate — эффективная скорость выполнения успешных операций, то есть число QUOPS в секунду.

Это важное различие. Один компьютер может быстро запускать сравнительно небольшие схемы, а другой — справляться с более крупными, но медленнее. QUOPS стремится показать обе стороны вычислительной способности. 12

Почему это тест всей системы, а не только процессора

Результат квантового вычисления зависит не только от качества самого чипа. Существенны компиляция схемы, маршрутизация операций между кубитами, топология связности, системы управления и измерения, а также накопление шума. QUOPS разработан так, чтобы эти факторы отражались в итоговом результате, а не оставались разрозненными спецификациями оборудования. 12

Поэтому это не рейтинг по одному «магическому» числу. Методика скорее очерчивает границу надёжно доступной вычислительной мощности полного квантового комплекса. 3

Willow, Boston и Helios: скорость против размера схемы

Первые сравнения показали заметный компромисс между скоростью операций и размером схем, которые удаётся выполнить с нужной надёжностью:

• сверхпроводниковые системы Google Willow и IBM Boston продемонстрировали более высокую скорость выполнения операций;
• ионная система Quantinuum Helios справлялась с более крупными схемами, удовлетворяющими критерию бенчмарка. 45

Авторы связывают это с особенностями архитектур. Быстрые сверхпроводниковые вентили повышают темп работы. В то же время высокая точность Helios и фактически полная связность между кубитами уменьшают затраты на маршрутизацию операций. В результате ошибки могут накапливаться медленнее, прежде чем схема становится слишком большой для надёжного исполнения. 25

Для физических кубитов сообщались следующие значения Q: 1 504 у Helios-1, 216 у Willow и 204 у IBM Boston. Это не означает, что одна система безусловно лучше другой: показатели описывают конкретный баланс между максимальным размером надёжной схемы и пропускной способностью. 7

Насколько современные машины далеки от крупных прикладных задач

В препринте приводятся ориентиры около 2,5 × 10⁸ QUOPS для факторизации RSA-2048 и 3,4 × 10⁸ QUOPS для высокоточных расчётов FeMoco — каталитического центра фермента нитрогеназы. По этой оценке нынешним системам на физических кубитах не хватает примерно пяти порядков величины, то есть около 100 000 раз, до масштаба таких ресурсоёмких задач. 57

Это именно оценка потребных ресурсов, а не прогноз сроков. Она зависит от допущений об алгоритмах, кодах коррекции ошибок и архитектурах, поэтому не говорит, когда конкретный квантовый компьютер сможет факторизовать RSA-2048 или решить задачу FeMoco.

Проверка на логических кубитах и отказоустойчивости

QUOPS применили и к демонстрации отказоустойчивых вычислений на Helios-1 с использованием до восьми логических кубитов. По данным Sandia, это был первый случай бенчмаркинга отказоустойчивого процессора. 12

Это существенно, поскольку методика не ограничивается нынешними шумными физическими кубитами. Её можно использовать и для систем, в которых логические кубиты создаются с помощью кодирования и коррекции ошибок. Однако сама демонстрация не доказывает, что отказоустойчивый подход уже превосходит физические архитектуры по всем параметрам. Её ценность — в появлении общего способа отслеживать переход к более крупным логическим системам. 13

Как интерпретировать результаты

QUOPS предлагает сместить фокус с вопроса «сколько у компьютера кубитов?» к более содержательному: «какой объём надёжной универсальной квантовой работы он может завершить?». Испытания показывают, что точность и связность могут увеличивать предельный размер исполнимой схемы, а высокая скорость вентилей — повышать темп вычислений.

Вместе с тем результаты представлены в препринте на arXiv и пока не прошли независимое рецензирование. Поэтому определения бенчмарка, пороги успешности и экстраполяции к крупным приложениям следует считать предварительными, пока они не будут проверены рецензированием и независимым воспроизведением. 5