QUOPS: Đừng chỉ đếm qubit, hãy đo khả năng tính toán thực tế

Số lượng qubit thường là con số nổi bật nhất khi một hãng công bố máy tính lượng tử. Nhưng riêng con số đó không cho biết cỗ máy có thể hoàn thành được bao nhiêu công việc tính toán hữu ích trong thực tế.

Đó là khoảng trống mà QUOPS (Quantum Universal Operations Performance System) muốn lấp đầy. Thay vì chỉ đếm qubit hoặc đo chất lượng từng cổng lượng tử riêng lẻ, benchmark này đánh giá một hệ thống có thể chạy một mạch lượng tử có ý nghĩa tính toán đến mức nào, một cách đáng tin cậy, và chạy nhanh đến đâu. Nghiên cứu do Sandia National Laboratories dẫn dắt, với Quantinuum đóng góp các phần trình diễn phần cứng và NVIDIA cung cấp bản triển khai mã nguồn mở trên CUDA-Q. 13

QUOPS đo hai thứ: mạch lớn đến đâu và chạy nhanh thế nào

QUOPS là benchmark không phụ thuộc vào kiến trúc phần cứng, dùng được cho cả qubit vật lý lẫn qubit logic. Nó chạy cùng các mạch ngẫu nhiên có tính phổ quát về tính toán trên những hình dạng và kích thước khác nhau, rồi kiểm tra từng tải công việc có đạt ngưỡng thành công dựa trên tiêu chí độ trung thực/phân cực hay không. Chỉ những mạch vượt ngưỡng mới được tính là chạy thành công. 23

Từ đó, QUOPS đưa ra hai chỉ số bổ sung cho nhau:

• Q (điểm QUOPS): quy mô, tính bằng số phép toán lượng tử, của mạch lớn nhất vượt qua tiêu chí độ tin cậy.
• ω (tốc độ QUOPS): tốc độ hiệu dụng của các phép toán thành công đó, tính bằng QUOPS mỗi giây.

Sự phân biệt này rất quan trọng. Một máy có thể hoàn thành các mạch nhỏ với tốc độ cao, trong khi máy khác có thể xử lý mạch lớn hơn nhưng chậm hơn. QUOPS không gộp hai đặc điểm này thành một lời khẳng định đơn giản kiểu “máy nào mạnh nhất”, mà đặt chúng cạnh nhau để cho thấy sự đánh đổi. 12

Vì sao đây là phép đo của cả hệ thống?

Kết quả cuối cùng của một mạch lượng tử không chỉ do bộ xử lý quyết định. Việc biên dịch mạch, ánh xạ và định tuyến qubit, cấu trúc kết nối giữa các qubit, hệ điều khiển, phép đo và nhiễu đều có thể làm giảm khả năng thực thi.

QUOPS được thiết kế để những chi phí này hiện diện trực tiếp trong điểm số, thay vì bị tách rời thành các thông số kỹ thuật phần cứng riêng lẻ. Nói cách khác, benchmark này nhắm đến câu hỏi thực dụng hơn: toàn bộ hệ thống có thể hoàn thành bao nhiêu tính toán lượng tử phổ quát một cách đáng tin cậy? 12

Helios chạy mạch lớn hơn, Willow và Boston nhanh hơn

Các thử nghiệm ban đầu trên Google Willow, IBM Boston và Quantinuum Helios cho thấy một sự đánh đổi rõ rệt:

• Hai hệ siêu dẫn Google Willow và IBM Boston đạt tốc độ thực hiện phép toán cao hơn.
• Hệ bẫy ion Quantinuum Helios hỗ trợ các mạch lớn hơn vẫn đạt tiêu chí của benchmark. 45

Cách diễn giải được nêu trong nghiên cứu là tốc độ cổng của kiến trúc siêu dẫn có lợi cho thông lượng, trong khi độ chính xác cao và khả năng kết nối hiệu dụng kiểu all-to-all của Helios làm giảm chi phí định tuyến. Nhờ vậy, ít lỗi tích lũy hơn trước khi mạch trở nên quá lớn để chạy đáng tin cậy. 25

Các điểm Q vật lý được báo cáo là 1.504 cho Helios-1, 216 cho Willow và 204 cho IBM Boston. Những giá trị này không có nghĩa một hệ thống “tốt hơn toàn diện”; chúng phản ánh vị trí của mỗi máy trên cán cân giữa quy mô mạch có thể chạy tin cậy và tốc độ xử lý. 7

Vẫn còn cách rất xa các ứng dụng lớn

Bản thảo ước tính mục tiêu khoảng 2,5 × 10⁸ QUOPS để phân tích RSA-2048 và 3,4 × 10⁸ QUOPS cho các phép tính năng lượng FeMoco có độ chính xác cao. Theo cách quy đổi này, các hệ dùng qubit vật lý hiện nay còn cách khoảng năm bậc độ lớn — tức xấp xỉ 100.000 lần — so với quy mô cần cho những ứng dụng đầy tham vọng đó. 57

Đây là các ước tính tài nguyên, không phải lịch trình dự báo. Chúng phụ thuộc vào giả định về thuật toán, mã sửa lỗi và kiến trúc, nên không cho biết khi nào một máy cụ thể sẽ có thể phân tích RSA-2048 hoặc giải bài toán FeMoco.

QUOPS cũng áp dụng cho qubit logic và khả năng chịu lỗi

Benchmark này còn được dùng cho một phần trình diễn chịu lỗi với tối đa 8 qubit logic trên Helios-1. Theo Sandia, đây là lần đầu một bộ xử lý chịu lỗi được benchmark. 12

Ý nghĩa của kết quả là QUOPS không chỉ dành cho các qubit vật lý còn nhiễu của hiện tại. Cùng một khuôn khổ có thể được dùng để theo dõi các hệ thống sử dụng mã hóa và sửa lỗi lượng tử trên con đường tiến tới máy lượng tử chịu lỗi quy mô lớn. Tuy nhiên, phần trình diễn này không có nghĩa kiến trúc chịu lỗi đã vượt trội hơn qubit vật lý ở mọi chỉ số; giá trị chính của nó là tạo ra một cách đo chung để quan sát quá trình chuyển dịch sang các hệ qubit logic lớn hơn. 13

Cần đọc kết quả này như thế nào?

QUOPS là nỗ lực đáng chú ý nhằm chuyển trọng tâm từ câu hỏi “máy có bao nhiêu qubit?” sang “máy hoàn thành được bao nhiêu tính toán lượng tử phổ quát, đáng tin cậy?”. Các thử nghiệm cho thấy khả năng kết nối và độ chính xác có thể nâng quy mô mạch khả thi, còn cổng nhanh có thể cải thiện tốc độ thực hiện.

Dù vậy, các phát hiện hiện đến từ một bản thảo trên arXiv chưa qua phản biện khoa học. Vì thế, cách định nghĩa benchmark, ngưỡng thành công và các suy rộng tới ứng dụng quy mô lớn vẫn nên được xem là sơ bộ, chờ đánh giá và tái lập độc lập. 5