Новый бенчмарк, разработанный для сопоставления квантовых компьютеров в едином масштабе, выявил существенные различия между передовыми машинами и продемонстрировал, что технология все еще значительно отстает от выполнения некоторых расчетных задач, для которых она была создана.
Этот тест, получивший название Quantum Universal Operation Performance System (QUOPS), был создан командой под руководством Sandia National Laboratories в Соединенных Штатах. Исследователи применили этот бенчмарк к системам от Google, IBM и Quantinuum, чтобы измерить не только скорость машин, но и размер соответствующих квантовых схем, которые они могут успешно выполнить.
Наиболее важным результатом стало то, что наилучшая производительность, зафиксированная на физическом оборудовании, составила 1824 QUOPS. Однако задачи, считающиеся серьезными вызовами для квантовых вычислений, требуют от 250 миллионов до 340 миллионов QUOPS.
Это означает, что нынешним квантовым компьютерам необходимо увеличить свою вычислительную мощность примерно в 100 тысяч раз, чтобы достичь такого уровня применения.
Сравнение архитектур и производительности
Тесты показали заметные расхождения между анализируемыми компьютерами, что связано с используемыми для их создания архитектурами. Helios-1, процессор с пойманными ионами от Quantinuum, смог справиться с самыми сложными расчетами среди оцененных систем, достигнув результата выше 1500 QUOPS. Преимущество этой архитектуры заключается в гибком расположении кубитов, позволяющем им взаимодействовать с любым другим кубитом. Тем не менее, перемещение ионов занимает время, что делает систему относительно медленной.
Процессоры на сверхпроводниках от Google и IBM используют иной подход. В них кубиты организованы в жесткие решетки на чипах, что ограничивает связь между определенными кубитами. Как следствие, эти системы показали результаты около 200 QUOPS. С другой стороны, сверхпроводниковые машины значительно быстрее; процессор Willow от Google достиг скорости в 20 миллионов операций в секунду.
Ограничения измерения скорости
Результаты также иллюстрируют, почему измерение только скорости квантового компьютера может ввести в заблуждение. Машина может выполнять операции очень быстро, но при этом не суметь реализовать достаточно большую схему для решения полезной задачи. Именно эту разницу и стремится уловить QUOPS.
Потенциал квантовых вычислений связан с чрезвычайно сложными проблемами, такими как взлом криптографии RSA-2048, широко используемой в цифровой безопасности, и моделирование сложных молекул для химических приложений. Для выполнения этих расчетов требуется приблизительно от 250 до 340 миллионов QUOPS, тогда как самый высокий результат на физическом оборудовании на данный момент составил всего 1824 QUOPS.
Таким образом, на практике существует разница около пяти порядков величины между текущей способностью и необходимой для решения этих задач. Преодоление этого огромного разрыва потребует прогресса в различных аспектах технологии, включая значительное снижение частоты ошибок, увеличение числа физических кубитов или разработку более эффективных архитектур квантовых компьютеров.
Авторы подводят итог сложности задачи, утверждая, что вычислительная мощность должна возрасти в пять порядков, что подчеркивает важность отказоустойчивых подходов к квантовым вычислениям. Сравнение также показывает, что не существует явно превосходящей архитектуры во всех оцениваемых аспектах: Helios-1 выполнил более крупные схемы, но медленнее, в то время как Google и IBM достигли гораздо более высоких скоростей работы, но с меньшими показателями QUOPS. Эти различия напрямую связаны с выбором, сделанным при разработке каждой системы.
Для исследователей наличие общего эталона может помочь более прозрачно отслеживать эволюцию квантовых вычислений. Вместо анализа изолированных показателей, таких как количество кубитов или скорость определенных операций, QUOPS нацелен на измерение фактической способности машин выполнять схемы соответствующего размера. Цель состоит в том, чтобы позволить ученым и другим участникам разработки технологии следить за прогрессом систем и независимо проверять их вычислительные возможности. Исследование, представляющее этот бенчмарк под названием «Benchmarking the computational power of quantum computers», было опубликовано на сервере препринтов arXiv. Статья «Novo teste coloca computadores quânticos lado a lado e revela quanto falta para máquinas úteis no mundo real» впервые появилась в Olhar Digital.