IBM提出速度衡量指標“CLOPS” 推動量子計算性能發(fā)展

北京時間11月2日消息（余予）IBM近日在其博客發(fā)文稱：IBM Quantum團隊在過去一年中沿著其發(fā)展路線圖已經(jīng)取得長足進步。發(fā)展過程中，量子計算性能的提高尤為重要，其中衡量量子計算性能的三個關(guān)鍵指標包括規(guī)模、質(zhì)量和速度。

日前，在原有指標的基礎(chǔ)上，IBM提出一種速度測量指標——電路層每秒操作數(shù)，也稱CLOPS。

以下為博客全文：

IBM Quantum 團隊在過去一年中取得了巨大的成就。我們已經(jīng)沿著我們的發(fā)展路線圖取得了長足的進步，并計劃到 2023 年底在 1000 多個系統(tǒng)上實現(xiàn)無摩擦量子計算，我們預計這將是該領(lǐng)域發(fā)展的一個轉(zhuǎn)折點。

我們推進量子計算系統(tǒng)的指導原則和目標是增加這些系統(tǒng)可以完成的有用工作量——簡而言之，就是量子計算的性能。性能具有三個關(guān)鍵屬性：規(guī)模、質(zhì)量和速度。要將量子計算機引入組織的計算工作流程需要推動這三個領(lǐng)域的發(fā)展。

衡量量子計算性能的三個關(guān)鍵指標：規(guī)模、質(zhì)量、速度（圖源：IBM）

對于規(guī)模，我們通過系統(tǒng)中的量子比特數(shù)來衡量進展。我們?nèi)ツ臧l(fā)布了65量子比特的處理器，今年有望交付 127量子比特的Eagle處理器，這歸功于擴展技術(shù)方面的不斷創(chuàng)新。

就質(zhì)量而言，我們使用之前定義的量子體積，并為今天的用戶提供帶有128量子體積的多個系統(tǒng)；速度是一個經(jīng)常被討論的屬性，它對應用程序的工作負載有實際影響。但一個合適的系統(tǒng)不可知的度量標準尚未出現(xiàn)，它可以捕獲電路執(zhí)行的硬件和軟件之間的完全依賴關(guān)系。

今天，我們想提出一個指標，我們稱之為電路層每秒操作數(shù)，或CLOPS。

通過CLOPS提高量子計算實用性

隨著量子計算的發(fā)展和開始解決實際問題，我們必須更加關(guān)注量子計算系統(tǒng)在給定的時間單位內(nèi)可以做多少工作。我們預計實際的工作負載涉及量子與經(jīng)典的交互——一個完整的程序?qū)⒄{(diào)用量子處理器作為某些任務(wù)的加速器；一個算法將需要多次調(diào)用量子處理器。因此，運行時系統(tǒng)允許高效量子經(jīng)典通信對于實現(xiàn)高性能至關(guān)重要。我們已將這種運行時交互嵌入到CLOPS基準測試提案中。

CLOPS 是一個與量子處理器執(zhí)行電路的速度相關(guān)的指標——具體來說，該指標衡量處理器可以執(zhí)行用于測量量子體積的相同類型的參數(shù)化模型電路層的速度。

提高量子處理器速度對于支持基于變分方法的近期算法至關(guān)重要，因為變分方法需要經(jīng)歷數(shù)千次迭代。改進后的量子位比特門時間使我們能夠極大地擴展當前量子系統(tǒng)的范圍，并使我們離超越經(jīng)典計算硬件更進一步。

——Pranav Gokhale，Super.tech創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官

運行時架構(gòu)和編譯階段。Quantum Volume 基準測試的電路模式，以及它的離線編譯。（圖源：IBM）

量子電路是量子計算機的基本計算單元，就像經(jīng)典計算的邏輯電路?；鶞蕼y試需要執(zhí)行該模型電路的許多實例，并在運行時生成的不同參數(shù)。這個硬件-軟件堆棧的各個部分都對CLOPS有貢獻，包括量子處理器的重復率、門運行的速度、運行時編譯、生成經(jīng)典控制指令所需的時間，以及所有單元之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。

要實現(xiàn)最高性能的量子計算系統(tǒng)，需要我們完全重新思考管理量子計算程序運行的架構(gòu)，這就是我們引入Qiskit Runtime的原因。

Qiskit Runtime是一種便攜式、安全、容器化的架構(gòu)，在與量子處理器緊密集成的經(jīng)典計算單元上運行量子程序。同時，Qiskit Runtime允許量子計算機成為任何計算環(huán)境的一部分，以加速計算、處理任務(wù)編制和數(shù)據(jù)并傳輸?shù)搅孔犹幚韱卧?，最大限度地提高效率?/p>

今天，我們最快的系統(tǒng)每秒可以進行1400次電路層操作。

量子硬件的改進將減少電路延遲時間、連續(xù)電路之間的空閑時間；運行時架構(gòu)的進一步改進將減少數(shù)據(jù)加載的初始化時間并改進的運行時編譯。

超導量子比特是高性能量子計算的自然選擇

我們的目標是開發(fā)實用的量子計算，我們相信我們的超導量子比特系統(tǒng)提供了推動量子計算普及的最佳機會。其他量子體系架構(gòu)可以在規(guī)模、質(zhì)量和速度等某些（但不是全部）方面實現(xiàn)高性能。例如，俘獲離子已經(jīng)顯示出實現(xiàn)高量子體積的能力，但在解決速度方面面臨挑戰(zhàn)，而自旋量子比特可以實現(xiàn)高速度，但迄今為止在推動質(zhì)量或規(guī)模的能力方面面臨挑戰(zhàn)。

我們預計，當涉及到在可擴展性、質(zhì)量和速度方面的性能提升時，超導量子比特將為實現(xiàn)這三個方面的持續(xù)增長提供最大的機會。

事實上，我們已經(jīng)在真實的科學演示中看到了速度的好處。在2017年，我們對氫化鋰分子的建模工作需要運行48億個量子電路，這在我們之前的商業(yè)堆棧上需要花費數(shù)月到數(shù)年的時間。但是現(xiàn)在，通過 Qiskit Runtime和其他改進，我們可以將計算速度提高120倍。

如果我們希望加速量子計算機的應用，我們需要專注于量子計算機可以做的有用工作，我們需要在所有三個關(guān)鍵性能領(lǐng)域不斷改進：

·我們致力于實現(xiàn)我們的發(fā)展路線圖，F(xiàn)alcon (27)、Hummingbird (65) 和 Eagle (127)證明了這一點。

·質(zhì)量方面，我們正在積極推進核心研究，以改善超導量子比特的基本相干性和門誤差。

·我們現(xiàn)在引入了CLOPS來完善這三項性能指標。

我們相信，通過我們對超導量子比特架構(gòu)的選擇和對Qiskit Runtime的引入，隨著我們繼續(xù)執(zhí)行我們的發(fā)展路線圖，我們將在不久的將來實現(xiàn)更大的性能提升。

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