Как сравнивать различные устройства квантовых вычислений?

В последние годы произошел всплеск демонстрации устройств, способных выполнять доказательство принципа, небольшие, не отказоустойчивые квантовые вычисления (или квантовые технологии Noisy Intermediate-Scale, как они упоминались ).

При этом я в основном имею в виду устройства со сверхпроводимостью и ионной ловушкой, которые демонстрируют такие группы, как Google, Microsoft, Rigetti Computing, группа Блатта (и, вероятно, другие, которые я сейчас забыл).

Эти устройства, а также устройства, которые последуют за ними, часто радикально отличаются друг от друга (с точки зрения архитектуры, шлюзов, которые проще / сложнее реализовать, количества кубитов, связности между кубитами, когерентности и времени входа, генерации и возможности считывания, верности ворот, чтобы назвать наиболее очевидные факторы).

С другой стороны, в пресс-релизах и нетехнических новостях очень часто говорится, что «у нового устройства X на Y больше кубитов, чем у предыдущего, поэтому оно намного мощнее».

Является ли количество кубитов действительно важным фактором для оценки этих устройств? Или мы должны вместо этого использовать другие метрики? В более общем смысле, существуют ли «простые» метрики, которые можно использовать для качественного, но значимого сравнения различных устройств?

Я думаю, что ответ зависит от того, почему вы их сравниваете. Такие вещи, как квантовый объем, возможно, лучше подходят для определения прогресса в разработке устройств, чем для полного информирования конечных пользователей.

Например, вы покупаете новый ноутбук, вы, вероятно, используете больше, чем просто одно число при сравнении их. То же самое должно быть верно для квантовых процессоров. Устройство имеет много разных аспектов: количество кубитов, связность, все различные типы шума, время для измерения (и, следовательно, возможна ли обратная связь с результатами измерений), время срабатывания затвора и т. Д. Все это необходимо объединить для скажу вам одну вещь, которую вам действительно нужно знать: может ли она запустить программу, которую вы хотите запустить? Это, я думаю, всегда будет самым подходящим сравнением. Но это тоже самое хитрое.

Это очень обсуждаемая тема, и я не уверен, что в настоящее время есть ответ на ваш вопрос. Тем не менее, IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике) предложил PAR 7131 - стандарт для квантовых вычислений производительности метрики и производительности производительности :

Цель этого проекта - предоставить стандартизированный набор метрик производительности и стандартизированную методологию сравнения скорости / производительности различных типов аппаратного и программного обеспечения для квантовых вычислений, а также сравнить эти метрики производительности с идентичными метриками в классических компьютерах, чтобы пользователи Этот документ может определить скорость квантового компьютера для конкретного приложения, может легко и надежно сравнить производительность компьютера.

Полное раскрытие информации Я в настоящее время являюсь председателем рабочей группы по стандартам квантовых вычислений, и причина, по которой этот PAR был первоначально предложен, была из-за отсутствия документации / стандартов по тестированию различных архитектур квантовых вычислений на соответствие классическим архитектурам и друг другу. Факторы, которые вы видели выше

количество кубитов, связность между кубитами, когерентность и время затвора, возможности генерации и считывания, точность затвора

все включены, как и несколько других факторов. Не менее важно, что мы также работали над способом стандартизации решателей; часто пропускаемый компонент в бенчмаркинге. Неоптимизированные решатели слишком часто выигрывают от квантовой машины при сравнении квантовой архитектуры с классической архитектурой. То есть решатель, работающий на квантовой архитектуре, всегда оптимизируется там, где решатель, работающий на классической архитектуре, не оптимизирован. Это создает пристрастие в пользу квантовой архитектуры.

Если вы заинтересованы в участии в разработке этого стандарта, пожалуйста, дайте мне знать, чем больше людей задействовано как с квантовой, так и с классической сторон спора, тем лучше imho. В то же время PAR начнет работу в ближайшее время и будет координировать свои усилия с другими организациями по стандартизации, с тем чтобы мог появиться единый общий стандарт без смещения, чтобы помочь в решении вопросов производительности и сравнительного анализа в будущем.

Хотя количество кубитов должно быть частью такой метрики, как вы говорите, это далеко не все.

Однако сравнение двух разных совершенно разных устройств (например, сверхпроводящей и линейной оптики) - не самая простая задача ¹ .

факторы

Запрос о согласованности и времени выхода эквивалентен запросу о точности и времени перехода ¹ . Ворота, которые труднее или проще реализовать, просто снова влияют на точность.

Скорость инициализации, генерация кубита / запутывания и возможности считывания (и т. Д.) Будут влиять на общую точность воспроизведения, а также что-то вроде того, как часто (в среднем) мы можем выполнять вычисления (получая при этом достаточно высокий результат точности для некоторых Идея «достаточно высокой верности»).

С точки зрения архитектуры, более макроархитектура (например, qRAM) будет иметь свои собственные стандарты и критерии, такие как время считывания, «считывание по требованию?» и, конечно же, верность.

Более микроархитектура может быть описана в тех же понятиях связности.

Другим, часто игнорируемым, показателем является используемая мощность / ресурсы.

В целом, это могло бы немного сузить этот список , но это все еще список, который включает в себя значительное количество сравнений. Сравнение различных устройств, использующих один и тот же метод, даже не так просто, как (на современных уровнях технологий), процессоры с большим числом кубитов часто имеют более низкую точность ² .

Квантовый объем

$2$$\epsilon_{eff}$

$n$$n'$

Конечно, мы хотим выйти за рамки науки и техники. Для этого нам нужен стандарт ³ . Это в настоящее время планируется, как подробно описано в ответе Уэрли .

Однако, так как любое сравнение между такими списками не будет простым, всегда есть более субъективный способ, такой как Quantum Awesomeness , где удовольствие от игры зависит от того, насколько хорош процессор ⁴ .

^{1 В данном конкретном случае один пример состоит в том, что, поскольку фотоны не декогерируют, то это должно быть приспособлено к тому, чтобы задавать вопрос о продолжительности времени или количестве затворов до того, как реализованное состояние перестает быть хорошим приближением к идеальному состоянию, которое просто просит верности, или верности и времени ворот}

^{2 Я много пробовал по крайней мере, и даже это не совсем веселая задача}

^{3 Первый, в отличие от XKCD 927}

^{4 Мнение автора заключается в том, что, хотя удивительная идея и полезная для понимания того, насколько хорош процессор, говорить о том, что один процессор лучше, чем другой в такой игре, слишком субъективно, чтобы сказать, действительно ли один процессор лучше, чем еще один}

IBM продвигает свою идею квантового объема (см. Также это ), чтобы количественно оценить мощность машины модели ворот с помощью одного числа. До IBM была попытка Rigetti определить общий квантовый фактор . Неясно, отражает ли это то, что мы хотим, с точки зрения полезности устройств для приложений. Мне кажется, что такие вещи, как квантовый объем, предназначены для экспериментов с превосходством. Я склоняюсь к мысли, что метрика должна быть действительно конкретной для приложения. Для отбора проб в данной работе предлагалось использовать показатель qBAS .

Что касается квантового отжига и аналогичных аналоговых подходов, кажется, что сообщество договаривается о времени решения и вариантах; еще раз вполне специфика применения.

Сообщество работает над определением метрик, и я ожидаю, что в 2018 году на разных устройствах будут показаны реальные прогоны одной и той же проблемы (эмпирическое сравнение).