QUOPS: måttet som visar vad en kvantdator faktiskt klarar

Antalet qubitar och prestandan hos enskilda kvantgrindar räcker inte för att avgöra vad en kvantdator kan göra i en verklig beräkning. QUOPS (Quantum Universal Operations Performance System) föreslår därför ett annat mått: hur stor, allmänt användbar kvantberäkning ett system faktiskt kan genomföra tillförlitligt – och hur snabbt det sker. Arbetet leddes av Sandia National Laboratories, medan Quantinuum bidrog med hårdvarudemonstrationer och NVIDIA med en öppen implementation i CUDA-Q. 13

Vad mäter QUOPS?

QUOPS är ett arkitekturoberoende riktmärke för både fysiska och logiska qubitar. I stället för att testa ett enda algoritmiskt problem kör det samma slumpmässiga, beräkningsuniversella kvantkretsar i flera former och storlekar. Varje arbetslast bedöms med ett kriterium baserat på fidelitet/polarisation; endast kretsar som passerar den valda tröskeln räknas som lyckade. 23

Ur testerna kommer två kompletterande mått:

• Q (QUOPS-poäng): storleken, räknad i kvantoperationer, på den största krets som klarar kriteriet på ett tillförlitligt sätt.
• ω (QUOPS-hastighet): den effektiva takten för dessa lyckade operationer, alltså QUOPS per sekund.

Skillnaden är viktig. En maskin kan vara snabb på mindre uppgifter, medan en annan kan köra större kretsar men i lägre takt. QUOPS försöker synliggöra båda sidorna av kapaciteten. 12

Ett mått för hela systemet

Att köra en kvantkrets beror på långt mer än processorns nominella kvalitet. Kretsens kompilering och avbildning till hårdvaran, routning mellan qubitar, anslutningstopologi, styrning, mätningar och brus kan alla begränsa slutresultatet. QUOPS är utformat så att dessa kostnader avspeglas i poängen, i stället för att isoleras som separata hårdvaruspecifikationer. 12

Det är alltså inte en topplista baserad på ett enda tal. Ambitionen är att beskriva gränsen för den tillförlitliga beräkningsförmågan hos ett komplett kvantsystem. 3

Willow, Boston och Helios: större kretsar eller högre takt

De första jämförelserna visar en tydlig avvägning mellan kretsstorlek och hastighet:

• De supraledande systemen Google Willow och IBM Boston uppvisade högre operationstakter.
• Jonfällesystemet Quantinuum Helios klarade större kretsar som uppfyllde riktmärkets krav. 45

Tolkningen är att snabba supraledande grindar gynnar exekveringstakten. Helios höga noggrannhet och i praktiken all-till-all-anslutning mellan qubitar minskar däremot behovet av routning. Det kan innebära att färre fel hinner ackumuleras innan en krets blir för stor för att kunna köras tillförlitligt. 25

De rapporterade fysiska Q-poängen var 1 504 för Helios-1, 216 för Willow och 204 för IBM Boston. Siffrorna betyder inte att ett system är bäst i alla avseenden: de beskriver en viss punkt i avvägningen mellan storleken på en tillförlitlig beräkning och genomströmningen. 7

Fortfarande omkring 100 000 gånger från mycket krävande tillämpningar

Preprinten uppskattar att cirka 2,5 × 10⁸ QUOPS krävs för faktorisering av RSA-2048 och 3,4 × 10⁸ QUOPS för beräkningar med hög precision av FeMoco, ett viktigt molekylärt komplex i enzymet nitrogenas. Utifrån detta ligger dagens system med fysiska qubitar ungefär fem storleksordningar, eller omkring 100 000 gånger, under den nivå som dessa krävande tillämpningar skulle behöva. 57

Detta är resursuppskattningar, inte en tidsplan. De beror på antaganden om algoritmer, felkorrigeringskoder och arkitekturer och förutsäger därför inte när en specifik maskin kan faktorisera RSA-2048 eller lösa ett FeMoco-problem.

Test även med logiska qubitar och feltolerans

Riktmärket användes också i en feltoleransdemonstration med upp till åtta logiska qubitar på Helios-1. Enligt Sandia var detta första gången en feltolerant processor riktmärktes. 12

Det är betydelsefullt eftersom QUOPS inte är begränsat till dagens brusiga fysiska qubitar. Samma grundprincip kan användas för system som använder kodning och felkorrigering. Demonstrationen innebär dock inte att feltolerans redan överträffar fysiska arkitekturer i alla mått. Värdet ligger snarare i att ge ett gemensamt sätt att följa övergången mot större logiska system. 13

Så bör resultaten tolkas

QUOPS är ett försök att flytta fokus från frågan ”hur många qubitar har den?” till ”hur mycket tillförlitlig, universell beräkning kan den slutföra?”. Testerna antyder att god anslutning mellan qubitar och hög noggrannhet kan öka den största genomförbara kretsstorleken, medan snabb grindexekvering kan höja takten.

Samtidigt kommer resultaten från en arXiv-preprint som ännu inte har genomgått sakkunniggranskning. Definitionerna av riktmärket, framgångströsklarna och extrapoleringarna till storskaliga tillämpningar bör därför ses som preliminära tills de har granskats och reproducerats oberoende. 5