QUOPS：量子電腦唔再只鬥 qubit 數，改睇真正做得到幾多運算

單靠「有幾多個 qubit」同單一量子閘嘅表現，未必答到最實際嗰個問題：一部量子電腦究竟可以穩定完成幾多有用運算？

由 Sandia National Laboratories 主導、Quantinuum 參與硬件示範、NVIDIA 提供 CUDA-Q 開源實作嘅 QUOPS（Quantum Universal Operations Performance System），就想用另一種方法回答。佢唔只睇處理器規格，而係量度一個完整系統能否可靠地完成大型、通用嘅量子電路，以及完成得有幾快。13

QUOPS 實際量度啲乜？

QUOPS 係一個不受量子硬件架構限制嘅基準，可用喺實體 qubit 同邏輯 qubit 系統。佢會喺唔同形狀同規模下，執行同一類隨機化、具通用計算能力嘅量子電路；每個工作負載要通過以保真度／極化度為基礎嘅門檻，先算成功。23

最後會得出兩個互補指標：

• Q（QUOPS 分數）：一部系統可以可靠通過門檻嘅最大電路規模，以量子操作數目表示。
• ω（QUOPS 速率）：系統每秒有效完成幾多呢類成功嘅量子操作，即每秒 QUOPS。

分開睇兩者好重要。一部機可能做細規模工作做得好快，但另一部就可能做到更大電路、只係速度慢啲。QUOPS 正正係想將「做得幾大」同「做得幾快」一齊呈現。12

點解話佢係「全系統」基準？

真正執行量子電路，唔係粒處理器本身夠好就得。電路點樣編譯、qubit 之間點樣路由、硬件嘅連接拓撲、控制與量測，以至雜訊累積，都會左右最終結果。

QUOPS 嘅設計就係要將呢啲成本反映入分數入面，而唔係將佢哋拆開做一堆獨立硬件規格。換句話講，佢唔係用單一數字去宣判邊部機「最勁」，而係嘗試標示一套完整量子系統可靠計算能力去到邊。123

Willow、Boston 同 Helios：快同做得大，未必係同一回事

初步測試反映出清楚嘅取捨：

• 超導系統 Google Willow 同 IBM Boston 有較高量子操作速率；
• 囚禁離子系統 Quantinuum Helios 則可以通過更大規模嘅基準電路。45

一個合理解讀係，超導量子閘速度快，對提升吞吐率有利；而 Helios 嘅高準確度，加上近乎 qubit 之間可以直接互連嘅特性，則減少咗電路路由帶來嘅額外成本。結果就係：喺錯誤累積到令電路唔再可靠之前，Helios 可以處理更大規模嘅電路。25

報告列出嘅實體 qubit Q 分數為：Helios-1 是 1,504、Willow 是 216、IBM Boston 是 204。7 不過，呢啲數字唔等於 Helios 喺所有情況都「全面勝出」；佢哋只係展示出各系統喺可靠電路規模同執行吞吐量之間嘅不同平衡。

距離 RSA-2048 同 FeMoco 仲有幾遠？

預印本估算，要處理 RSA-2048 因數分解，大約要 2.5 × 10⁸ QUOPS；要高精度計算 FeMoco（固氮酶關鍵輔因子）相關能量，則約需 3.4 × 10⁸ QUOPS。57

按呢個尺度，現時實體 qubit 系統與呢類高難度應用之間，仍相差大約五個數量級，即約 10 萬倍。57

要留意，呢個係資源估算，唔係時間表。佢取決於演算法、錯誤更正碼同系統架構等假設，唔代表任何一部特定機器幾時會破解 RSA-2048，或者完成 FeMoco 問題。

仲可以用喺容錯量子電腦

QUOPS 亦已用於 Helios-1 一個最多有 8 個邏輯 qubit 嘅容錯示範。Sandia 表示，呢個係首次對容錯量子處理器進行基準測試。12

意義在於，QUOPS 唔止適用於現時雜訊較大嘅實體 qubit；同一套思路亦可用來觀察引入編碼與錯誤更正後嘅邏輯 qubit 系統。不過，呢個示範唔代表容錯架構現時已經喺所有指標超越實體 qubit 架構。佢嘅價值係提供一把共同尺，追蹤系統邁向更大型邏輯量子電腦嘅進度。13

點樣睇呢批結果？

QUOPS 最值得留意之處，係將問題由「有幾多 qubit？」轉為「可以可靠完成幾多通用量子計算？」。初步測試顯示，連接性同精準度有助推高可可靠執行嘅電路規模；量子閘夠快，則有助提高有效運算速率。

不過，研究目前只係發表喺 arXiv 嘅預印本，尚未經同行評審。因此，基準定義、成功門檻，同埋推算至大規模應用嘅結論，都應該視為初步結果，等候獨立重現同進一步審查。5