QUOPS, qubit sayısının ötesine geçerek kuantum bilgisayarları bütün sistem olarak ölçüyor

Kuantum bilgisayarlarda qubit sayısı ya da tek tek kapıların doğruluğu, bir makinenin gerçek bir hesaplama işini ne ölçüde tamamlayabildiğini tek başına göstermiyor. QUOPS (Quantum Universal Operations Performance System), bu nedenle daha bütüncül bir soru soruyor: Bir kuantum sistemi güvenilir biçimde ne kadar büyük, genel amaçlı bir hesaplamayı tamamlayabilir ve bunu ne hızla yapabilir?

Çalışmaya Sandia National Laboratories öncülük etti; Quantinuum donanım gösterimlerine, NVIDIA ise CUDA-Q üzerinde açık kaynaklı uygulamaya katkı verdi. 13

QUOPS tam olarak neyi ölçüyor?

QUOPS, fiziksel ve mantıksal qubit sistemleri için tasarlanmış, mimariden bağımsız bir kıyaslama yöntemi. Tek bir algoritmayı test etmek yerine, farklı biçim ve boyutlardaki aynı rastgeleleştirilmiş, hesaplama açısından evrensel devreleri çalıştırıyor. Her iş yükünün başarısı, doğruluk/kutuplanma temelli bir eşik üzerinden değerlendiriliyor; yalnızca bu eşiği geçen devreler başarılı kabul ediliyor. 23

Bunun sonucunda iki ana metrik elde ediliyor:

• Q (QUOPS puanı): Başarı ölçütünü güvenilir biçimde geçen en büyük devrenin, kuantum operasyonları cinsinden büyüklüğü.
• ω (QUOPS hızı): Bu başarılı operasyonların etkin çalışma hızı; başka bir ifadeyle saniye başına QUOPS miktarı.

Bu ayrım önemli. Bir sistem daha küçük iş yüklerini çok hızlı tamamlayabilir; başka bir sistemse daha büyük devreleri destekleyip bunu daha düşük hızda yapabilir. QUOPS, kapasite ile hızı aynı tabloda görünür kılmayı hedefliyor. 12

Neden “tüm sistem” kıyaslaması sayılıyor?

Bir kuantum devresinin pratikte çalışması yalnızca işlemcinin nominal özelliklerine bağlı değil. Devrenin derlenmesi, qubit'ler arasındaki yönlendirme, bağlantı topolojisi, kontrol elektroniği, ölçüm süreçleri ve gürültü, sonuç üzerinde belirleyici olabiliyor. QUOPS, bu maliyetleri ayrı teknik özellikler olarak bırakmak yerine nihai puana yansıtacak şekilde tasarlandı. 12

Dolayısıyla bu yaklaşım, “hangi işlemcide daha fazla qubit var?” sorusundan çok, “hangi sistem ne büyüklükte güvenilir ve genel amaçlı kuantum işi bitirebiliyor?” sorusuna yanıt arıyor. 3

Willow, Boston ve Helios testleri ne gösterdi?

İlk karşılaştırmalar, devre büyüklüğü ile yürütme hızı arasında net bir denge bulunduğunu ortaya koydu:

• Süperiletken mimariye dayanan Google Willow ve IBM Boston, daha yüksek operasyon hızları sergiledi.
• Tuzaklanmış iyon teknolojisini kullanan Quantinuum Helios, kıyaslama eşiğini karşılayan daha büyük devreleri destekledi. 45

Bu tablonun olası açıklaması, süperiletken kapıların hız avantajının işlem hacmine katkı sağlaması. Buna karşılık Helios'un yüksek doğruluğu ve fiilen tüm qubit çiftleri arasında bağlantı sunabilen yapısı, yönlendirme maliyetini azaltıyor. Böylece devre güvenilirliğini kaybetmeden önce daha az hata birikiyor ve daha büyük devreler çalıştırılabiliyor. 25

Raporlanan fiziksel Q puanları Helios-1 için 1.504, Willow için 216, IBM Boston için ise 204 oldu. Bu rakamlar bir makinenin her senaryoda mutlak biçimde “daha iyi” olduğu anlamına gelmiyor; güvenilir devre boyutu ile işlem hızı arasındaki belirli bir dengeyi tarif ediyor. 7

Büyük ölçekli uygulamalara ne kadar mesafe var?

Ön baskı, RSA-2048'in çarpanlara ayrılması için yaklaşık 2,5 × 10⁸ QUOPS, FeMoco'nun yüksek hassasiyetli enerji hesaplamaları içinse yaklaşık 3,4 × 10⁸ QUOPS hedefi öngörüyor. Bu karşılaştırmaya göre güncel fiziksel-qubit sistemleri, bu zorlu uygulamaların gerektirdiği ölçeğin yaklaşık beş büyüklük mertebesi, yani kabaca 100.000 kat altında bulunuyor. 57

Bu değerler bir takvim tahmini değil, kaynak tahminleri. Algoritmalar, hata düzeltme kodları ve mimari varsayımlara bağlı oldukları için belirli bir makinenin RSA-2048'i ya da FeMoco problemini ne zaman çalıştıracağını söylemiyor.

Mantıksal qubit'ler ve hata toleransı için de kullanılabiliyor

QUOPS ayrıca Helios-1 üzerinde en fazla sekiz mantıksal qubit kullanan hata toleranslı bir gösterime de uygulandı. Sandia'ya göre bu, hata toleranslı bir işlemcinin ilk kez kıyaslanması anlamına geliyor. 12

Bu nokta önemli: QUOPS yalnızca günümüzün gürültülü fiziksel qubit'leriyle sınırlı değil. Aynı temel yaklaşım, hata düzeltme ve kodlama kullanan sistemlerin ilerlemesini de izlemek için kullanılabilir. Ancak bu gösterim, hata toleranslı mimarilerin bugün her ölçütte fiziksel-qubit sistemlerini geçtiği anlamına gelmiyor. Asıl değer, daha büyük mantıksal sistemlere geçişi ortak bir ölçekte takip etme imkânı sunması. 13

Sonuç: Qubit sayısı tek başına yeterli bir gösterge değil

QUOPS, tartışmayı “kaç qubit var?” sorusundan “ne kadar güvenilir, evrensel hesaplama tamamlanabiliyor?” sorusuna kaydırma girişimi. İlk testler; bağlantısallık ve doğruluğun erişilebilir devre boyutunu artırabildiğini, hızlı kapı işlemlerinin ise başarılı operasyon hızını yükseltebildiğini gösteriyor.

Bununla birlikte sonuçlar, henüz hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir arXiv ön baskısına dayanıyor. Bu nedenle kıyaslamanın tanımları, başarı eşikleri ve büyük ölçekli uygulamalara ilişkin projeksiyonlar, bağımsız inceleme ve yeniden üretim sonuçları gelene kadar ihtiyatla değerlendirilmelidir. 5