Як слід порівнювати різні квантові обчислювальні пристрої?

Останніми роками спостерігається приплив демонстрацій пристроїв, здатних виконувати докази принципових, маломасштабних квантових обчислень, які не мають відмов (або шумових квантових технологій проміжних шкал, як вони називаються ).

З цим я здебільшого маю на увазі надпровідникові та іонні пристрої, що демонструються такими групами, як Google, Microsoft, Rigetti Computing, група Блатта (і, мабуть, інші, про які я зараз забуваю).

Ці пристрої, а також ті, які будуть слідувати за ними, часто докорінно відрізняються один від одного (з точки зору архітектури, ворота, які легше / важче реалізувати, кількість кубітів, зв’язок між кубітами, узгодженість і час роботи затворів, генерація та можливості зчитування, відзначати вірність, щоб назвати найбільш очевидні фактори).

З іншого боку, у прес-релізах та нетехнічних новинах дуже часто говорити, що "новий пристрій X має Y більше кубітів, ніж попередній, тому він настільки потужніший".

Чи справді кількість кубітів є таким важливим фактором для оцінки цих пристроїв? Або ми повинні замість цього використовувати різні показники? Загалом, чи існують "прості" показники, які можна використовувати якісно, ​​але змістовно, для порівняння різних пристроїв?

Я думаю, що відповідь залежить від того, чому ви їх порівнюєте. Такі речі, як квантовий обсяг, можливо, краще підходять для визначення прогресу в розробці пристроїв, а не для повного інформування кінцевих споживачів.

Наприклад, ви купуєте новий ноутбук, ви, ймовірно, використовуєте більше, ніж просто один номер, порівнюючи їх. Те саме має бути справедливо і для квантових процесорів. У пристрою існує багато різних аспектів: кількість кубітів, підключення, всі різні типи шуму, час вимірювання (і тому, чи можливий зворотний зв'язок від результатів вимірювань), час роботи затвора тощо. Все це потрібно поєднувати з скажу вам одне, що ви насправді потрібно знати: чи може вона запустити програму, яку ви хочете запустити? Це, я думаю, завжди буде найбільш доречним порівнянням. Але це також найсміливіше.

Це дуже обговорювана тема, і я не впевнений, що є відповідь на ваше запитання в поточний час. Однак IEEE (Інститут інженерів електротехніки та електроніки) запропонував PAR 7131 - Стандарт для квантових обчислень та показників продуктивності :

Метою цього проекту є створення стандартизованого набору показників продуктивності та стандартизованої методології тестування швидкості / продуктивності різних типів квантово-обчислювальної техніки та програмного забезпечення, а також порівняння цих показників продуктивності з однаковими показниками в класичних комп’ютерах, таким, що користувачі цей документ може визначити швидкість квантового комп'ютера для конкретного додатка, може легко і надійно порівняти продуктивність комп'ютера.

Повне розкриття інформації Я є чинним головою робочої групи з квантових обчислень, і причиною, в якій цей ПАР був запропонований, було через відсутність документації / стандартів для тестування різних архітектур квантових обчислень проти класичних архітектур та інших. Фактори, які ви бачили вище

кількість кубітів, зв'язок між кубітами, узгодженість і час передачі, можливості генерації та зчитування, вірність шлюзу

всі вони включені, як і декілька інших факторів. Як важливо, ми також працювали над способом стандартизації розв'язувачів; часто недооцінений компонент у бенчмаркінгу. Неоптимізовані розв'язувачі занадто часто приносять користь квантовій машині, порівнюючи квантову архітектуру з класичною архітектурою. Тобто вирішувач, що працює на квантовій архітектурі, завжди оптимізується там, де розв’язувач, який працює на класичній архітектурі, не є. Це створює властивий упередженість на користь квантової архітектури.

Якщо ви зацікавлені брати участь у розробці цього стандарту, будь ласка, повідомте мене, чим більше людей, задіяних як з квантової, так і з класичної сторін аргументу, тим краще imho. Тим часом, Парламентська комісія розпочне роботу незабаром та координуватиме свої зусилля з іншими організаціями зі стандартів, щоб єдиний загальний стандарт без упереджень міг з’явитися, щоб допомогти вирішити ефективність та порівняльний аналіз у майбутньому.

Хоча кількість кубітів має бути частиною такої метрики, як ви кажете, це далеко не все.

Однак порівняння двох різних абсолютно різних пристроїв (наприклад, надпровідна та лінійна оптика) - не найпростіша задача ¹ .

Фактори

Розмірковувати про узгодженість та час переходу рівнозначно запитуванню про вірність та час переходу ¹ . Варіанти, які важче чи легше здійснити, знову впливають на вірність.

Швидкість ініціалізації, генерація кубіту / заплутування та можливості зчитування (тощо) впливатимуть на загальні вірності, а також на щось подібне до того, як часто (в середньому) ми можемо проводити обчислення (отримуючи при цьому досить високий результат вірності, для деяких ідея «достатньо високої вірності») ».

Що стосується архітектури, то більше макроархітектура (наприклад, qRAM) матиме власні стандарти та орієнтири, такі як час зчитування, "читання за запитом?" і звичайно, вірність.

Більше мікроархітектури можна описати під тими ж поняттями сполучуваності.

Інша, часто ігнорована, метрика - це використовувана потужність / ресурси.

В цілому, це, можливо, трохи зменшило цей список , але все ж це список, який передбачає неабияку кількість порівняння. Якщо порівнювати різні пристрої, що використовують один і той же метод, навіть не так просто, як (на сучасних рівнях технології), процесори з більшою кількістю кубітів часто мають менші точності ² .

Квантовий об'єм

$2$$\epsilon_{eff}$ , з урахуванням того, що помилки воріт треба було б в іншому випадку досконалої системи , щоб дати таку ж помилку, що і пристрій. Це може зажадати використання SWAP для низького рівня підключення та методів Соловай-Кітаєва для низької кількості реалізованих воріт. Цьому протидіють за допомогою телепортації, якщо система має "швидкі вимірювання та зворотній зв'язок" та будь-який інший відповідний метод.

$n$$n'$

Звичайно, ми хочемо вийти за межі науки і перейти в інженерію. Для цього нам потрібен стандарт ³ . Наразі це планується, про що детально йдеться у відповіді Вірлі .

Однак, оскільки будь-яке порівняння між такими списками не буде простим, завжди існує більш суб'єктивний спосіб, наприклад, Quantum Awesomeness , де задоволення від гри залежить від того, наскільки хороший процесор ⁴ .

^{1 У цьому конкретному випадку один приклад полягає в тому, що як фотони не декоруються, тому це має бути адаптовано до запитання про тривалість часу або кількість воріт, перш ніж реалізований стан вже не є хорошим наближенням до ідеального стану, який це просто прохання про вірність або вірність і ворота}

^{2 Я щонайменше спробував це, і навіть це не найсмішніше завдання}

^{3 Перший, на відміну від XKCD 927}

^{4 Думка автора полягає в тому, що, хоча дивовижна ідея і корисна для розуміння того, наскільки хороший процесор, мовляв, що один процесор кращий за інший у такій грі, це занадто суб'єктивно, щоб сказати, чи дійсно один процесор краще, ніж інший}

IBM просуває свій квантовий об'єм (див. Також це ) ідею кількісної оцінки потужності машини затворів за допомогою єдиного числа. Перед IBM було зроблено спробу Рігетті визначити загальний квантовий коефіцієнт . Незрозуміло, чи він фіксує те, що ми хочемо, з точки зору корисності пристроїв для додатків. Такі речі, як квантовий обсяг, розробляються з урахуванням експериментів над версією, як мені здається. Я схиляюся до думки, що показник повинен бути дійсно конкретним додатком. Для вибірки ця робота запропонувала використовувати бал qBAS .

Для квантового відпалу та подібних аналогових підходів, схоже, громада погоджується на час і рішення ; ще раз досить специфіка застосування.

Спільнота працює над визначенням показників, і я очікую, що у 2018 році на різних пристроях можна побачити фактичні запуски однієї проблеми (емпіричне порівняння).