Neuer Benchmark: Quantencomputer 100.000-fach von wissenschaftlichem Nutzen entfernt

Derzeitige Quantencomputer liegen noch etwa fünf Größenordnungen unter der Rechenkapazität, die zur Bewältigung anerkannter wissenschaftlicher Probleme erforderlich ist. Dies geht aus einer neuen Benchmark-Studie hervor, die auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlicht wurde. Die Erkenntnis von Forschern der Sandia National Laboratories unter Mitwirkung von Quantinuum und NVIDIA ↘ 3.36% führt ein Framework namens QUOPS ein, das Quantum Universal Operations Performance System, das sowohl den Umfang der Schaltkreise misst, die eine Maschine ausführen kann, als auch die Geschwindigkeit, mit der sie diese abschließt.thequantuminsider+1

Ein neuer Maßstab für Quantenmaschinen

Hersteller von Quantenhardware beschreiben ihre Systeme in der Regel anhand von Qubit-Zahlen, Gattergenauigkeit und Gattergeschwindigkeit. Diese Metriken auf Komponentenebene lassen jedoch nicht immer darauf schließen, wie eine komplette Maschine bei einer umfangreichen Berechnung abschneidet. QUOPS behandelt den Quantencomputer stattdessen als Gesamtsystem, speist ihn mit zufälligen Schaltkreisen unterschiedlicher Breite und Tiefe und prüft anschließend, ob die Ausgabe einen vordefinierten Genauigkeitsschwellenwert erreicht.thequantuminsider+1

Der Benchmark fasst die Leistung in zwei Zahlen zusammen: Q, was den größten qualifizierenden Schaltkreis darstellt, den die Maschine ausführen kann, und Omega, die effektive Anzahl der pro Sekunde abgeschlossenen Quantenoperationen auf dieser Skala. Zusammen erfassen sie einen Kompromiss, den einzelne Spezifikationen verdecken.thequantuminsider

Kompromisse zwischen verschiedenen Architekturkonzepten

Forscher testeten den Benchmark auf Prozessoren von Google Alphabet Inc. ↗ 3.06%, IBM International Business Machines Corporation ↗ 2.38% und Quantinuum. Googles Willow und IBMs Boston, beides supraleitende Systeme, führten Operationen schneller aus und erzielten höhere QUOPS-Raten. Der Helios-Ionenfallen-Prozessor von Quantinuum, der eine All-to-All-Kopplung der Qubits bietet, verarbeitete erfolgreich größere Schaltkreise und erzielte einen höheren Q-Wert, arbeitete jedoch mit einer geringeren Geschwindigkeit.quantinuum+1

Der Vergleich erklärt keine Architektur für überlegen. Die Ergebnisse zeigen vielmehr, dass Maschinen ihre Leistung durch unterschiedliche Kombinationen aus Genauigkeit, Geschwindigkeit und Konnektivität erreichen: Kompromisse, die je nach Arbeitslast unterschiedlich ins Gewicht fallen können.thequantuminsider

Der Weg zu wissenschaftlichem Nutzen

Durch die Kartierung der Ressourcenanforderungen für Probleme wie die Faktorisierung von RSA-2048 und die Berechnung von FeMoco-Energieeigenwerten schätzten die Forscher die Ziel-Q-Werte auf die Größenordnung von Hunderten von Millionen. Aktuelle Hardware verfehlt diese Ziele um etwa das 100.000-Fache, was den anhaltenden Vorstoß in Richtung fehlertoleranten Quantencomputings unterstützt, das Fehlerkorrektur nutzt, um Berechnungen vor kumuliertem Rauschen zu schützen.quantumcomputingreport+1

Das Team wendete QUOPS auch auf ein kleines fehlertolerantes Setup mit bis zu acht logischen Qubits auf Quantinuums Helios-1 an und demonstrierte damit, dass derselbe Benchmark sowohl heutige Maschinen mit physischen Qubits als auch entstehende Systeme mit logischen Qubits erfassen kann. Das Paper wurde noch keiner Peer-Review unterzogen.thequantuminsider+1