Bagaimana seharusnya perangkat komputasi kuantum yang berbeda dibandingkan?

Pada tahun-tahun terakhir, telah terjadi lonjakan demonstrasi perangkat yang mampu melakukan pembuktian prinsip, komputasi kuantum skala-kecil, tanpa toleransi kesalahan (atau teknologi Kuantum Skala Menengah Bising, bagaimana mereka dirujuk ).

Dengan ini saya sebagian besar mengacu pada perangkat superkonduktor dan perangkap ion yang ditunjukkan oleh kelompok-kelompok seperti Google, Microsoft, Rigetti Computing, kelompok Blatt (dan mungkin orang lain yang saya lupa sekarang).

Perangkat-perangkat ini, serta perangkat yang akan mengikuti mereka, seringkali sangat berbeda satu sama lain (dalam hal arsitektur, gerbang yang lebih mudah / sulit untuk diterapkan, jumlah qubit, konektivitas antara qubit, koherensi dan waktu gerbang, pembuatan dan kemampuan membaca, gerbang kesetiaan, untuk menyebutkan faktor yang paling jelas).

Di sisi lain, sangat umum dalam siaran pers dan berita non-teknis untuk hanya mengatakan "perangkat X baru memiliki Y lebih banyak qubit daripada yang sebelumnya, oleh karena itu jauh lebih kuat".

Apakah jumlah qubit benar-benar merupakan faktor penting untuk menilai perangkat ini? Atau haruskah kita menggunakan metrik yang berbeda? Secara umum, adakah metrik "sederhana" yang dapat digunakan untuk membandingkan secara kualitatif, tetapi bermakna, berbagai perangkat?

Saya pikir jawabannya tergantung pada mengapa Anda membandingkannya. Hal-hal seperti volume kuantum, mungkin lebih cocok untuk mendefinisikan kemajuan dalam pengembangan perangkat daripada menginformasikan sepenuhnya kepada pengguna akhir.

Misalnya, Anda membeli laptop baru, Anda mungkin menggunakan lebih dari satu nomor ketika membandingkannya. Hal yang sama harus berlaku untuk prosesor kuantum. Ada banyak aspek berbeda pada perangkat: jumlah qubit, konektivitas, semua jenis kebisingan, waktu pengukuran (dan apakah umpan balik dari hasil pengukuran layak), waktu operasi gerbang, dll. Semua ini perlu digabungkan ke memberi tahu Anda satu hal yang sebenarnya perlu Anda ketahui: bisakah ia menjalankan program yang ingin Anda jalankan? Itu, saya pikir, akan selalu menjadi perbandingan yang paling relevan. Tapi ini juga yang paling sulit.

Ini adalah topik yang sangat diperdebatkan, dan saya tidak yakin ada jawaban untuk pertanyaan Anda saat ini. Namun, IEEE (Institut Insinyur Listrik dan Elektronik) telah mengusulkan PAR 7131 - Standar untuk Metrik Kinerja Komputasi Quantum & Pembandingan Kinerja :

Tujuan dari proyek ini adalah untuk memberikan seperangkat standar metrik kinerja dan metodologi standar pembandingan kecepatan / kinerja berbagai jenis perangkat keras dan perangkat lunak komputasi kuantum serta membandingkan metrik kinerja ini dengan metrik identik di komputer klasik sehingga pengguna dokumen ini dapat menentukan kecepatan komputer kuantum untuk aplikasi tertentu dapat dengan mudah, dan andal, membandingkan kinerja komputer.

Pengungkapan penuh Saya adalah Ketua Kelompok Kerja Standar Komputasi Quantum saat ini dan alasan PAR ini awalnya diusulkan adalah karena kurangnya dokumentasi / standar tentang pengujian berbagai arsitektur komputasi kuantum terhadap arsitektur klasik dan satu sama lain. Faktor-faktor yang Anda lihat di atas

jumlah qubit, konektivitas antara qubit, koherensi dan waktu gerbang, kemampuan pembangkitan dan pembacaan, kesetiaan gerbang

semua termasuk juga beberapa faktor lainnya. Sebagai hal yang penting, kami juga sedang berupaya untuk menstandarisasi solver; komponen yang sering diabaikan dalam pembandingan. Solver yang tidak dioptimalkan terlalu sering menguntungkan mesin kuantum ketika membandingkan arsitektur kuantum dengan arsitektur klasik. Artinya, solver yang berjalan pada arsitektur kuantum selalu dioptimalkan di mana solver yang berjalan pada arsitektur klasik tidak. Ini menciptakan bias bawaan yang mendukung arsitektur kuantum.

Jika Anda tertarik untuk berpartisipasi dalam pengembangan standar ini, beri tahu saya, semakin banyak orang yang terlibat baik dari sisi kuantum dan klasik dari argumen tersebut semakin baik. Sementara itu, PAR akan mulai bekerja segera, dan akan mengoordinasikan upaya mereka dengan organisasi standar lain sehingga satu standar umum tanpa bias dapat muncul untuk membantu mengatasi kinerja dan benchmarking di masa depan.

Sementara jumlah qubit harus menjadi bagian dari metrik seperti itu, seperti yang Anda katakan, itu jauh dari segalanya.

Namun, membandingkan dua perangkat yang sama sekali berbeda (misalnya superkonduktor dan optik linier) bukanlah tugas yang paling mudah ¹ .

Faktor-faktor

Bertanya tentang koherensi dan waktu gerbang sama dengan menanyakan tentang kesetiaan dan waktu gerbang ¹ . Gates menjadi lebih sulit atau lebih mudah diimplementasikan hanya mempengaruhi kesetiaan lagi.

Tingkat inisialisasi, generasi qubit / keterikatan dan kemampuan pembacaan (dll.) Akan mempengaruhi kesetiaan keseluruhan serta sesuatu yang mirip dengan 'seberapa sering (rata-rata) kita dapat melakukan perhitungan (sambil mendapatkan hasil kesetiaan yang cukup tinggi, untuk beberapa gagasan 'kesetiaan yang cukup tinggi') '.

Dalam hal arsitektur, semakin banyak arsitektur makro (misalnya qRAM) akan memiliki standar dan tolok ukur sendiri, seperti waktu pembacaan, 'apakah pembacaan sesuai permintaan?' dan tentu saja, kesetiaan.

Semakin banyak mikroarsitektur dapat dijelaskan di bawah pengertian konektivitas yang sama.

Metrik lain, yang sering diabaikan, adalah kekuatan / sumber daya yang digunakan.

Secara keseluruhan, ini mungkin mempersempit daftar ini sedikit , tetapi masih daftar yang melibatkan perbandingan yang adil. Membandingkan perangkat berbeda yang menggunakan metode yang sama bahkan tidak semudah itu (pada tingkat teknologi saat ini), prosesor dengan jumlah qubit yang lebih tinggi sering memiliki kesetiaan yang lebih rendah ² .

Volume kuantum

$2$$\epsilon_{eff}$

$n$$n'$

Tentu saja, kami ingin bergerak melampaui titik sains dan ke bidang teknik. Untuk itu diperlukan ³ standar . Ini saat ini sedang direncanakan, sebagaimana dirinci dalam jawaban Whurley .

Namun, karena setiap perbandingan antara daftar tersebut tidak akan langsung, selalu ada cara yang lebih subyektif, seperti Quantum Awesomeness , di mana kenikmatan permainan tergantung pada seberapa baik prosesor ⁴ .

^{1 Dalam kasus khusus ini, salah satu contohnya adalah karena foton tidak membusuk, jadi ini harus disesuaikan dengan bertanya tentang lamanya waktu atau jumlah gerbang sebelum keadaan terwujud tidak lagi merupakan pendekatan yang baik untuk keadaan ideal, yang hanya meminta waktu kesetiaan, atau kesetiaan dan gerbang}

^{2 Saya sudah mencoba ini setidaknya dan bahkan ini bukan tugas yang paling menyenangkan}

^{3 Yang pertama, tidak seperti di XKCD 927}

^{4 Pendapat penulis adalah bahwa, meskipun ide yang luar biasa dan membantu untuk mendapatkan ide tentang seberapa baik prosesor, mengatakan bahwa satu prosesor lebih baik daripada yang lain pada permainan seperti itu agak terlalu subjektif untuk mengetahui apakah satu prosesor sebenarnya lebih baik daripada lain}

IBM mempromosikan ide volume kuantum mereka (lihat juga ini ) untuk mengukur kekuatan mesin model gerbang dengan satu nomor. Sebelum IBM, ada upaya dari Rigetti untuk mendefinisikan faktor kuantum total . Tidak jelas apakah itu menangkap apa yang kita inginkan dalam hal kegunaan perangkat untuk aplikasi. Hal-hal seperti volume kuantum dirancang dengan eksperimen supremasi dalam pikiran, menurut saya. Saya cenderung berpikir bahwa metrik harus benar-benar spesifik untuk aplikasi. Untuk pengambilan sampel, pekerjaan ini disarankan untuk menggunakan skor qBAS .

Untuk anil kuantum dan pendekatan analog yang serupa, tampaknya komunitas menyetujui waktu dan solusi ; sekali lagi cukup spesifik aplikasi.

Komunitas sedang berupaya mendefinisikan metrik, dan saya berharap pada 2018 untuk melihat proses aktual dari masalah yang sama pada perangkat yang berbeda (perbandingan empiris).