QUOPS：量子计算机不只比量子比特，还要比“真正能完成多少计算”

量子计算机有多少个量子比特，并不能直接回答一个更关键的问题：它究竟能可靠地完成多大规模的计算？

由美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）牵头、Quantinuum参与硬件演示、NVIDIA提供CUDA-Q开源实现的 QUOPS（Quantum Universal Operations Performance System，量子通用操作性能系统），试图用一套跨架构指标回答这个问题。13

QUOPS到底测什么？

QUOPS适用于物理量子比特和逻辑量子比特，也不预设硬件路线：超导、离子阱及未来不同容错方案都可纳入比较。它不以某一种具体算法作为唯一试题，而是在不同形状和规模下运行相同的随机化、计算通用量子电路，再依据以保真度／极化度为基础的标准判断电路是否达标。23

这套框架给出两个互补指标：

• Q（QUOPS分数）：能够可靠通过要求的最大电路规模，以量子操作数表示；
• ω（QUOPS速率）：这些成功操作的有效执行速率，即每秒完成多少QUOPS。

因此，Q回答“能把多大的计算跑完”，ω回答“跑得有多快”。一台机器可能在较小任务上吞吐量很高，另一台则可能支持更大的可靠电路、但运行速度较慢；只看其中一个数字，都难以完整描述系统能力。12

为什么这是“整机”基准？

现实中，一个量子电路能否成功执行，不只取决于芯片标称参数。编译过程如何映射电路、量子比特之间怎样路由、硬件连接拓扑、控制与测量环节，以及噪声累积，都会影响最终结果。

QUOPS的思路是让这些开销直接反映在成绩中，而不是把它们拆成彼此孤立的硬件指标。换句话说，它要衡量的不是某个部件有多漂亮，而是完整量子系统可稳定交付多少通用计算工作。12

Helios、Willow和IBM Boston：速度与规模不能兼得？

对Google Willow、IBM Boston和Quantinuum Helios的初步测试，呈现出清晰的取舍关系：

• 超导路线的Willow和IBM Boston，表现出更高的操作速率；
• 离子阱路线的Helios，则能支持更大的达标电路。45

研究给出的解释是：超导量子门速度快，有利于提高执行速率；而Helios的高精度与近似全连接能力可减少量子比特之间的路由成本，令误差在电路变得不可可靠执行之前累积得更慢。25

报道的物理量子比特Q分数为：Helios-1为 1,504，Willow为 216，IBM Boston为 204。7

这些数字不意味着某一系统在所有维度上都“全面胜出”。它们反映的是可靠电路规模与计算吞吐量之间的特定平衡：连接性和精度会推高可完成电路的上限，而更快的量子门则可能带来更高的速率。

距离RSA-2048和FeMoco还有多远？

预印本估算，若要执行RSA-2048因数分解，目标约为 2.5 × 10⁸ QUOPS；高精度计算FeMoco（固氮酶关键辅因子）能量的目标约为 3.4 × 10⁸ QUOPS。57

按这一口径，当前物理量子比特系统距离这类高要求应用，大约仍有5个数量级、即约10万倍的差距。57

但这不是某台机器何时能够破解RSA-2048或完成FeMoco计算的时间表。此类资源估算依赖于算法、纠错码和系统架构等假设，应理解为尺度参照，而非确定预测。

也可用于逻辑量子比特与容错测试

QUOPS还被用于Helios-1上一项最多包含8个逻辑量子比特的容错演示。Sandia称，这构成了首次对容错量子处理器进行基准测试。12

这一点的意义在于，QUOPS并不局限于今天带噪声的物理量子比特设备。随着系统采用编码和量子纠错，它仍可沿用相同的基本框架来追踪能力边界。

不过，这项演示并不表示容错系统目前已在所有指标上超过物理量子比特架构。它更重要的价值是提供一套共同尺度，用于观察量子计算从当前设备走向更大规模逻辑系统的过程。13

该如何看待这项结果？

QUOPS将讨论重点从“有多少量子比特”转向“完成了多少可靠、通用的量子计算”，这是一个实用的变化。初步测试也说明，量子计算机性能不是单一维度的竞赛：门速度、连接性、精度与系统软件开销都会共同决定结果。

同时需要保留审慎态度：相关研究目前是发布在arXiv上的预印本，尚未经过同行评审。基准的具体定义、成功阈值和面向大规模应用的推算，仍有待独立复现与进一步检验。5