QUOPS：量子電腦不只比量子位元，還要比真正跑得動多少運算

量子位元數量多，或單一量子閘速度快，並不必然表示一台量子電腦能完成更大型的實際工作。QUOPS（Quantum Universal Operations Performance System，量子通用操作效能系統）提出另一種比較方式：一個系統究竟能可靠完成多大的通用量子運算，以及完成速度有多快。

這項研究由美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）主導，Quantinuum 提供硬體展示，NVIDIA 則提供 CUDA-Q 平台的開源實作。13

QUOPS 到底量什麼？

QUOPS 是一套不綁定特定硬體架構的基準，可用於物理量子位元與邏輯量子位元系統。它不是只拿某一個演算法題目來測試，而是在不同形狀與規模下，執行相同類型的隨機化、具計算通用性的量子電路。

每一項工作負載都要以保真度／偏振度相關的標準判定是否成功；只有通過預設門檻的電路，才算合格。23

測試結果濃縮為兩個互補指標：

• Q（QUOPS 分數）：可可靠通過標準的最大電路規模，以量子操作數計算。
• ω（QUOPS 速率）：成功完成這些操作的有效速率，也就是每秒可完成多少 QUOPS。

這兩個數字不能互相取代。一台機器可能能很快跑完較小電路，另一台則能完成更大的電路、但速度較慢。QUOPS 的用意正是在同時呈現「跑得多大」與「跑得多快」兩件事。12

為何它強調「整個系統」？

量子電路能否順利執行，並非只由量子處理器標示的規格決定。電路編譯與映射、量子位元間的路由、連接拓撲、控制系統、量測，以及雜訊累積，都會影響最終結果。

QUOPS 的設計，是讓這些實際成本直接反映在分數上，而不是把它們拆成一串彼此難以比較的硬體規格。12 因此，它不是用單一數字宣告誰「最好」，而是試圖描繪一整套量子系統可靠計算能力的邊界。3

Willow、Boston 與 Helios：速度和可跑電路規模的取捨

初步跨平台測試呈現明顯的取捨關係：

• 超導量子系統 Google Willow 與 IBM Boston，展現較高的操作執行速率。
• 囚禁離子系統 Quantinuum Helios，則能通過基準、完成規模更大的電路。45

研究所呈現的解讀是：超導量子閘速度快，因此有利於提高執行速率；Helios 的高精度與近似全連接（all-to-all）能力，則降低了量子位元路由的額外負擔。路由成本較低，意味著電路在錯誤累積到無法可靠執行前，可以做得更大。25

報告中的物理量子位元 Q 分數為：Helios-1 是 1,504、Willow 是 216、IBM Boston 是 204。7 這不代表 Helios 在所有面向都絕對勝出；這些數字描述的是可靠電路規模與運算吞吐量之間的特定平衡。

距離大型實用任務還有多遠？

預印本估算，若要進行 RSA-2048 因數分解，約需 2.5 × 10⁸ QUOPS；若要高精度計算 FeMoco 能量，約需 3.4 × 10⁸ QUOPS。FeMoco 是固氮酶中的關鍵輔因子，也是量子化學常見的高難度模擬目標。

以這些資源估算作為基準，目前的物理量子位元系統距離所需規模仍約差 5 個數量級，也就是約 10 萬倍。57

不過，這不是某種時間表，更不是對某台機器何時能破解 RSA-2048 或完成 FeMoco 計算的預言。這類目標取決於所採用的演算法、錯誤校正碼與系統架構等假設，因此應視為資源需求推估。

也能用來看邏輯量子位元與容錯系統

QUOPS 還被用於 Helios-1 上最多 8 個邏輯量子位元的容錯展示。Sandia 表示，這是首次對容錯量子處理器進行基準測試。12

這項展示的重要性在於，QUOPS 不只適用於現階段帶有雜訊的物理量子位元，也可用來檢視導入編碼與錯誤校正後的邏輯量子位元系統。當然，這不表示容錯架構現階段已在每個指標上勝過物理量子位元架構；它的價值在於提供一套共同尺度，用來追蹤系統走向更大規模邏輯量子運算的進展。13

該如何看待這份成績單？

QUOPS 嘗試把問題從「有多少量子位元？」轉為「能可靠完成多少通用量子計算？」。初測結果也凸顯：高連接性與高精度有助於推高可執行電路的上限；更快的量子閘則可提升有效執行速率。

但目前結果出自尚未經同儕審查的 arXiv 預印本。基準的定義、成功門檻，以及延伸到大規模應用的推估，都仍需經過獨立檢驗與重現後，才能得到更穩固的評價。5