QUOPS: อย่าดูแค่จำนวนคิวบิต แต่ต้องดูว่างานควอนตัมที่เชื่อถือได้ทำได้มากเพียงใด

จำนวนคิวบิต หรือแม้แต่ค่าความแม่นยำของเกตแต่ละตัว ไม่ได้ตอบคำถามสำคัญที่สุดว่า คอมพิวเตอร์ควอนตัมเครื่องหนึ่งทำงานคำนวณที่ใช้งานได้จริงและเชื่อถือได้มากแค่ไหน

QUOPS หรือ Quantum Universal Operations Performance System จึงเสนอวิธีวัดอีกแบบหนึ่ง โดยดูว่าระบบสามารถรันวงจรควอนตัมทั่วไปที่มีขนาดใหญ่เพียงใดให้ผ่านเกณฑ์ความน่าเชื่อถือ และทำงานนั้นได้เร็วแค่ไหน งานนี้นำโดย Sandia National Laboratories โดยมี Quantinuum สนับสนุนการสาธิตฮาร์ดแวร์ และ NVIDIA สนับสนุนการพัฒนาแบบเปิดบน CUDA-Q 13

QUOPS วัดอะไร

QUOPS เป็นเกณฑ์ทดสอบที่ไม่ผูกกับสถาปัตยกรรมใดสถาปัตยกรรมหนึ่ง ใช้ได้ทั้งกับคิวบิตจริง (physical qubits) และคิวบิตเชิงตรรกะ (logical qubits) แทนที่จะเลือกทดสอบโจทย์อัลกอริทึมเพียงโจทย์เดียว ระบบจะรันชุดวงจรควอนตัมแบบสุ่มที่มีความเป็นสากลต่อการคำนวณ ในหลายรูปทรงและหลายขนาด

วงจรแต่ละชุดจะถือว่า “ผ่าน” ก็ต่อเมื่อผลการทำงานผ่านเกณฑ์ที่อิงความเที่ยงตรง/โพลาไรเซชันตามที่กำหนดไว้ จากนั้นจึงสรุปออกมาเป็นตัวชี้วัด 2 ค่า 23

• Q หรือ QUOPS score: ขนาดของวงจรที่ใหญ่ที่สุด วัดเป็นจำนวนปฏิบัติการควอนตัม ซึ่งระบบยังรันผ่านเกณฑ์ได้อย่างน่าเชื่อถือ
• ω หรือ QUOPS rate: อัตราการทำปฏิบัติการที่ผ่านเกณฑ์นั้นจริง หรือจำนวน QUOPS ต่อวินาที

การแยกสองค่านี้สำคัญมาก เพราะเครื่องหนึ่งอาจรันงานขนาดเล็กได้รวดเร็วกว่า ขณะที่อีกเครื่องอาจรันวงจรที่ใหญ่กว่าได้แม้มีอัตราการทำงานต่ำกว่า QUOPS จึงตั้งใจวัดทั้ง “งานใหญ่ได้แค่ไหน” และ “ทำงานได้เร็วเพียงใด” 12

ทำไมจึงเป็นการวัดระดับทั้งระบบ

เมื่อรันวงจรควอนตัมจริง ผลลัพธ์ไม่ได้ขึ้นกับคุณภาพของชิปอย่างเดียว แต่ยังขึ้นกับการคอมไพล์และแมปวงจรลงบนฮาร์ดแวร์ การจัดเส้นทางระหว่างคิวบิต รูปแบบการเชื่อมต่อของคิวบิต ระบบควบคุม การวัดผล และสัญญาณรบกวน

QUOPS ออกแบบมาให้ต้นทุนและข้อจำกัดเหล่านี้สะท้อนออกมาในคะแนน แทนที่จะถูกแยกไว้เป็นสเปกฮาร์ดแวร์คนละส่วน ดังนั้นจึงไม่ใช่การจัดอันดับจากตัวเลขเพียงตัวเดียว แต่เป็นความพยายามหา “ขอบเขต” ของความสามารถในการคำนวณที่ระบบควอนตัมทั้งชุดทำได้อย่างเชื่อถือได้ 123

Willow, Boston และ Helios: เร็วกว่า ไม่ได้แปลว่ารันวงจรใหญ่กว่าเสมอไป

ผลทดสอบเบื้องต้นสะท้อนจุดแลกเปลี่ยนที่ชัดเจนระหว่างขนาดวงจรกับความเร็ว

• ระบบตัวนำยิ่งยวด Google Willow และ IBM Boston ทำอัตราปฏิบัติการได้สูงกว่า
• Quantinuum Helios ซึ่งใช้เทคโนโลยีไอออนดักจับ สามารถรองรับวงจรขนาดใหญ่กว่าที่ยังผ่านเกณฑ์ของ benchmark 45

คำอธิบายที่เสนอคือ ความเร็วของเกตในระบบตัวนำยิ่งยวดช่วยเพิ่มอัตราการประมวลผล ขณะที่ Helios มีความแม่นยำสูงและการเชื่อมต่อคิวบิตที่มีประสิทธิภาพเสมือนเชื่อมถึงกันได้ทั้งหมด (all-to-all connectivity) จึงลดภาระการจัดเส้นทางคิวบิต และลดการสะสมของข้อผิดพลาดก่อนวงจรจะใหญ่เกินกว่าที่รันได้อย่างน่าเชื่อถือ 25

คะแนน Q บนคิวบิตจริงที่รายงานคือ 1,504 สำหรับ Helios-1, 216 สำหรับ Willow และ 204 สำหรับ IBM Boston ตัวเลขเหล่านี้ไม่ได้แปลว่าเครื่องใด “ดีกว่า” ในทุกด้าน แต่บอกตำแหน่งของแต่ละระบบบนสมดุลระหว่างการรันวงจรขนาดใหญ่ได้ กับอัตราการประมวลผล 7

ยังห่างจากงานระดับ RSA-2048 และ FeMoco แค่ไหน

งาน preprint ประเมินว่า การแยกตัวประกอบ RSA-2048 ต้องการราว 2.5 × 10⁸ QUOPS ส่วนการคำนวณพลังงานของ FeMoco ที่ความแม่นยำสูงต้องการราว 3.4 × 10⁸ QUOPS

เมื่อเทียบกับเกณฑ์ดังกล่าว เครื่องที่ใช้คิวบิตจริงในปัจจุบันยังห่างออกไปราว 5 ลำดับขั้น หรือประมาณ 100,000 เท่า สำหรับงานที่ท้าทายระดับนี้ 57

อย่างไรก็ดี ตัวเลขนี้คือการประเมินทรัพยากร ไม่ใช่กำหนดการว่าคอมพิวเตอร์เครื่องใดจะทำลาย RSA-2048 หรือคำนวณ FeMoco ได้เมื่อใด เพราะยังขึ้นกับสมมติฐานเกี่ยวกับอัลกอริทึม รหัสแก้ไขข้อผิดพลาด และสถาปัตยกรรมที่เลือกใช้

ใช้กับคิวบิตเชิงตรรกะและการทนทานต่อความผิดพลาดได้ด้วย

QUOPS ยังถูกนำไปใช้กับการสาธิตระบบที่ทนทานต่อความผิดพลาด (fault-tolerant) บน Helios-1 ซึ่งมีคิวบิตเชิงตรรกะสูงสุด 8 คิวบิต โดย Sandia ระบุว่านี่เป็นครั้งแรกที่มีการทำ benchmark กับหน่วยประมวลผลแบบทนทานต่อความผิดพลาด 12

ประเด็นนี้ทำให้ QUOPS ไม่ได้จำกัดอยู่กับคิวบิตจริงที่ยังมีสัญญาณรบกวนในปัจจุบัน แต่สามารถใช้ติดตามระบบอนาคตที่อาศัยการเข้ารหัสและการแก้ไขข้อผิดพลาดได้เช่นกัน อย่างไรก็ตาม การสาธิตนี้ไม่ได้หมายความว่าระบบ fault-tolerant เหนือกว่าสถาปัตยกรรมที่ใช้คิวบิตจริงในทุกมิติแล้ว คุณค่าหลักคือการสร้างมาตรฐานร่วมสำหรับติดตามการก้าวสู่ระบบคิวบิตเชิงตรรกะขนาดใหญ่ขึ้น 13

ควรอ่านผลลัพธ์นี้อย่างไร

QUOPS ช่วยย้ายคำถามจาก “มีคิวบิตกี่ตัว” ไปสู่ “ทำงานคำนวณควอนตัมทั่วไปที่เชื่อถือได้สำเร็จเท่าไร” ผลทดสอบชี้ว่า ความแม่นยำและการเชื่อมต่อของคิวบิตอาจช่วยให้รันวงจรที่ใหญ่ขึ้นได้ ขณะที่ความเร็วของเกตช่วยเพิ่มอัตราการประมวลผล

แต่ผลทั้งหมดมาจากบทความ preprint บน arXiv ที่ยังไม่ผ่านการประเมินโดยผู้ทรงคุณวุฒิ ดังนั้นนิยามของ benchmark เกณฑ์ตัดสินความสำเร็จ และการคาดการณ์ไปยังงานขนาดใหญ่ ยังควรถูกมองเป็นข้อค้นพบเบื้องต้น จนกว่าจะได้รับการตรวจสอบและทำซ้ำอย่างอิสระ 5