QUOPS: новий тест показує, що квантовий комп’ютер справді здатен виконати

Кількість кубітів сама по собі не відповідає на головне запитання: який обсяг реальних квантових обчислень машина здатна надійно завершити? Саме це пропонує вимірювати QUOPS — Quantum Universal Operations Performance System.

Роботу очолили Sandia National Laboratories; Quantinuum надала апаратні демонстрації, а NVIDIA — відкриту реалізацію в платформі CUDA-Q. 13

Що саме вимірює QUOPS

QUOPS — це незалежний від архітектури бенчмарк, придатний і для фізичних, і для логічних кубітів. Замість перевірки одного конкретного алгоритму він запускає однакові випадкові обчислювально універсальні квантові схеми різної форми та масштабу. Схема зараховується, лише якщо її результат проходить заданий поріг за критерієм точності/поляризації. 23

Бенчмарк зводить результат до двох показників:

• Q, або оцінка QUOPS — розмір найбільшої схеми, у квантових операціях, яку система надійно виконує;
• ω, або швидкість QUOPS — ефективна кількість таких успішних операцій за секунду.

Це важлива пара показників: одна машина може швидко запускати менші схеми, а інша — виконувати значно більші, але повільніше. QUOPS не зводить це порівняння до одного параметра. 12

Чому йдеться про продуктивність усієї системи

Під час виконання квантової схеми мають значення не тільки характеристики процесора. На підсумок впливають компіляція та відображення схеми на кубіти, маршрутизація операцій, топологія з’єднань, системи керування, вимірювання й шум.

QUOPS задуманий так, щоб усі ці витрати відбивалися у фінальному результаті. Тобто він оцінює межу надійної обчислювальної здатності цілісної системи, а не окрему специфікацію обладнання. 12

Helios проти Willow і Boston: розмір або темп

Перші тести виявили виразний компроміс між масштабом схеми та швидкістю:

• надпровідникові Google Willow та IBM Boston показали вищу швидкість операцій;
• іонно-пастковий Quantinuum Helios зміг виконати більші схеми, що відповідали критерію бенчмарку. 45

Автори пов’язують цю різницю з тим, що швидкі надпровідникові вентилі допомагають підвищити темп обчислень. Натомість висока точність Helios і його фактично all-to-all зв’язність між кубітами зменшують витрати на маршрутизацію. Через це помилки накопичуються повільніше, перш ніж схема стає надто великою для надійного запуску. 25

Заявлені фізичні оцінки Q становили 1 504 для Helios-1, 216 для Willow і 204 для IBM Boston. Це не означає, що одна система безумовно краща за інші: цифри описують конкретний баланс між розміром надійної схеми та пропускною здатністю. 7

До RSA-2048 і моделювання FeMoco ще дуже далеко

У препринті наведено орієнтири близько 2,5 × 10⁸ QUOPS для факторизації RSA-2048 та 3,4 × 10⁸ QUOPS для високоточного розрахунку енергії FeMoco — активного центру ферменту нітрогенази. За цією оцінкою, сучасні системи на фізичних кубітах відстають приблизно на п’ять порядків, тобто орієнтовно у 100 000 разів. 57

Це не прогноз термінів і не твердження, що конкретна машина колись виконає ці завдання у визначений рік. Такі оцінки залежать від припущень щодо алгоритмів, кодів корекції помилок та архітектур майбутніх систем.

Перевірка на логічних кубітах

QUOPS також застосували до демонстрації відмовостійких обчислень на Helios-1 із використанням до восьми логічних кубітів. У Sandia заявили, що це перший випадок бенчмаркінгу відмовостійкого процесора. 12

Це важливо, бо методика не обмежується нинішніми шумними фізичними кубітами. Її можна застосовувати і до систем, де логічні кубіти створюються за допомогою кодування та корекції помилок. Водночас така демонстрація ще не доводить, що відмовостійкі архітектури вже переважають фізичні в усіх вимірах: її цінність у появі спільного способу відстежувати рух до більших логічних систем. 13

Як інтерпретувати результати

QUOPS зсуває фокус із питання «скільки тут кубітів?» до питання «скільки надійної універсальної обчислювальної роботи система реально завершує?». Тести показують, що зв’язність і точність можуть збільшувати досяжний розмір схем, а швидке виконання вентилів — підвищувати темп операцій.

Втім, дослідження опубліковане як препринт на arXiv і ще не пройшло рецензування. Тому визначення бенчмарку, пороги успішності та екстраполяції до великих прикладних задач варто вважати попередніми, доки їх не перевірять незалежно. 5