Un nou test pune computerele cuantice la încercare. Cele mai puternice sisteme sunt încă departe de problemele reale

Computerele cuantice au trecut de etapa în care erau doar o promisiune pentru viitor și sunt deja dezvoltate pentru probleme pe care calculatoarele clasice le-ar putea rezolva extrem de greu. De la analiza riscurilor financiare și modelarea moleculelor până la optimizarea unor rețele logistice uriașe, domeniul are obiective ambițioase. Până acum a lipsit însă un mod simplu și universal prin care puterea diferitelor sisteme să poată fi comparată.

O echipă condusă de cercetători de la Sandia National Laboratories din Statele Unite propune acum un astfel de etalon. Testul se numește Quantum Universal Operation Performance System, prescurtat QUOPS, și încearcă să măsoare nu doar viteza unui computer cuantic, ci și dimensiunea circuitelor pe care acesta le poate executa cu succes, scrie revista Phys.

QUOPS încearcă să măsoare ce poate face cu adevărat un computer cuantic

Metodele folosite până acum pentru evaluarea computerelor cuantice s-au concentrat în mare parte pe caracteristicile individuale ale sistemelor, precum numărul de qubiți sau erorile produse în operațiile individuale. QUOPS schimbă perspectiva și testează capacitatea de a executa circuite cuantice mai complexe.

Qubiții sunt echivalentul cuantic al biților din calculatoarele clasice, însă simplul lor număr nu spune cât de util este un sistem. Un computer poate avea mulți qubiți, dar dacă aceștia nu pot comunica eficient sau operațiile sunt prea predispuse la erori, avantajul teoretic nu se traduce neapărat într-un calcul util.

Pentru test, QUOPS folosește modele aleatorii de operații între qubiți, concepute să reprezinte tipul de circuite necesare pentru anumite calcule științifice. Astfel, benchmarkul urmărește care este cel mai mare circuit relevant pe care sistemul îl poate rula cu succes și cât de repede poate executa operațiile respective.

Cercetătorii au aplicat testul unor procesoare dezvoltate de Google, IBM și Quantinuum, iar rezultatele au arătat diferențe importante între arhitecturile lor.

Quantinuum a rulat cele mai mari circuite, dar cu un compromis de viteză

Procesorul Helios-1 de la Quantinuum, bazat pe tehnologia ionilor capturați, a reușit să gestioneze cele mai mari calcule dintre sistemele testate. Acesta a obținut un scor QUOPS de peste 1.500, performanță ajutată de arhitectura flexibilă a sistemului.

Vezi și:

Sirop de arțar și ochelari de soare într-un computer cuantic? Explicația care face fizica să pară mai puțin complicată

Cercetătorii au teleportat pentru prima dată o imagine prin 100 de canale cuantice simultan

În cazul acestui tip de computer cuantic, qubiții pot comunica între ei fără restricțiile unei rețele rigide. Asta permite executarea unor circuite mai complexe, însă există un compromis important: deplasarea ionilor necesară pentru anumite operații durează, ceea ce face sistemul mai lent.

Procesoarele supraconductoare de la Google și IBM au ales o abordare diferită. Qubiții sunt organizați în grile rigide pe cip, iar acest aranjament limitează modul în care pot comunica între ei. Rezultatul este un scor QUOPS de aproximativ 200, mult sub cel obținut de Helios-1.

Pe de altă parte, procesoarele supraconductoare sunt mult mai rapide. Willow de la Google a ajuns la aproximativ 20 de milioane de operații pe secundă. Comparația arată de ce numărul de operații executate într-o secundă nu este suficient pentru a descrie capacitatea unui computer cuantic.

Un sistem poate fi foarte rapid, dar limitat în ceea ce privește dimensiunea și complexitatea circuitelor pe care le poate executa corect.

De ce scorurile actuale sunt încă foarte mici

Diferențele dintre sistemele testate sunt relevante pentru cercetători, dar problema mai mare apare atunci când rezultatele sunt comparate cu obiectivele pentru care sunt dezvoltate computerele cuantice.

Printre exemplele de calcule considerate importante se numără spargerea criptării RSA-2048, un standard folosit pe scară largă în securitatea digitală, dar și modelarea unor molecule complexe pentru aplicații din chimie.

Pentru astfel de probleme, cercetătorii estimează că ar fi nevoie de aproximativ 250 de milioane până la 340 de milioane de QUOPS. Cel mai mare scor obținut până acum pe hardware fizic este de 1.824 QUOPS.

Asta înseamnă că există un decalaj de aproximativ 100.000 de ori între nivelul actual și capacitatea estimată pentru unele dintre aceste probleme. Cu alte cuvinte, chiar și cele mai performante computere cuantice testate în prezent sunt încă foarte departe de a putea executa calcule de această anvergură în mod util.

În cercetarea lor, autorii estimează că această capacitate trebuie să crească cu cinci ordine de mărime și indică drept direcție importantă dezvoltarea unor sisteme tolerante la erori.

Următoarea etapă nu înseamnă doar mai mulți qubiți

Reducerea acestui decalaj va necesita mai mult decât adăugarea unui număr tot mai mare de qubiți. Cercetătorii indică nevoia unor rate de eroare mult mai mici, a unui număr mai mare de qubiți fizici și a unor arhitecturi mai eficiente.

Tocmai de aceea, un benchmark precum QUOPS poate deveni important pentru urmărirea progresului. În loc să compare doar specificații individuale, acesta încearcă să arate ce dimensiune de circuit poate procesa efectiv un sistem și la ce viteză.

Rezultatul testelor arată și de ce comparațiile dintre computerele cuantice sunt complicate. Arhitectura care permite executarea unor circuite mai mari poate veni cu un dezavantaj de viteză, în timp ce un procesor foarte rapid poate fi limitat de modul în care qubiții sunt conectați.

Autorii susțin că un sistem de evaluare riguros și transparent le-ar permite cercetătorilor și celor care urmăresc domeniul să verifice independent evoluția capacității de calcul. QUOPS nu rezolvă decalajul dintre tehnologia actuală și aplicațiile cuantice complexe, dar oferă o modalitate mai clară de a măsura cât de repede este redus acesta.

Chiriile din România au crescut de peste 14 ori mai repede decât media UE. De ce s-a ajuns aici