Kvantna računala više nisu tek teorijski koncept, ali još su daleko od strojeva koji bi mogli rješavati najzahtjevnije probleme u kemiji, kriptografiji i optimizaciji. Nova usporedba triju vodećih sustava pokazala je koliki je put do takve primjene još pred njima.
Tim pod vodstvom američkog Sandia National Laboratoriesa razvio je univerzalni test nazvan Quantum Universal Operation Performance System, skraćeno QUOPS. Istraživači su njime usporedili kvantna računala Googlea, IBM-a i Quantinuuma prema istom mjerilu, umjesto da svaki proizvođač rezultate prikazuje kroz vlastite pokazatelje.
Što mjeri QUOPS?
Test ne procjenjuje samo broj kubita ili stopu pogreške pojedinačnih operacija. Mjeri koliko velik i složen kvantni sklop računalo može uspješno izvršiti te koliko brzo može provesti potrebne operacije. Kubiti su kvantna inačica bitova, ali njihov broj sam po sebi ne govori koliko je računalo korisno za stvarne izračune.
QUOPS koristi nasumične obrasce operacija koji oponašaju strukturu sklopova potrebnih u znanstvenim proračunima. Time daje širu sliku sposobnosti sustava. Pojam kvantne nadmoći obično se povezuje s uspješnim izvođenjem jednog posebno odabranog zadatka, dok QUOPS pokazuje kako se računalo ponaša kroz veći raspon mogućih sklopova.
Velike razlike među procesorima
Rezultati su se znatno razlikovali. Quantinuumov procesor Helios-1, koji koristi ione zarobljene u sustavu, ostvario je rezultat veći od 1500 QUOPS-a. Njegova je prednost fleksibilan raspored, u kojem kubiti mogu izravno komunicirati jedni s drugima. Premještanje iona, međutim, usporava izvođenje operacija.
Procesori Googlea i IBM-a koriste supravodljive kubite raspoređene u pravilne mreže na čipu. Takva je arhitektura brža, ali ograničava komunikaciju između udaljenih kubita. Oba su sustava na testu ostvarila oko 200 QUOPS-a. Googleov procesor Willow pritom je izvodio oko 20 milijuna operacija u sekundi.
Usporedba pokazuje da brzina i opseg izračuna nisu ista stvar. Sustav može izvršavati operacije vrlo brzo, ali zbog pogrešaka ili ograničene povezanosti neće moći provesti dug i složen kvantni sklop.
Do korisnih izračuna nedostaje još mnogo
Autori su dobivene rezultate usporedili s problemima koji bi mogli opravdati ulaganje u kvantna računala. Razbijanje zaštite RSA-2048 i modeliranje složenih molekula zahtijevali bi otprilike 250 do 340 milijuna QUOPS-a. Najviši rezultat izmjeren na fizičkom procesoru iznosio je 1824 QUOPS-a, pa današnje sustave od potrebne razine dijeli razlika od približno sto tisuća puta.
Rezultati pokazuju koliko su važni niža stopa pogrešaka, veći broj fizičkih kubita i arhitekture koje mogu učinkovito povezivati kubite. Za praktičnu primjenu bit će potrebni i sustavi za ispravljanje pogrešaka, a oni će zahtijevati mnogo više fizičkih kubita nego što ih današnji procesori imaju.
Rad je objavljen na poslužitelju arXiv. Njegova je glavna vrijednost u prijedlogu zajedničkog mjerila kojim se napredak može pratiti neovisno o proizvođaču. Ako se QUOPS ili sličan test prihvati šire, bit će lakše razlikovati stvarni napredak od rezultata koji vrijede samo za jedan pažljivo odabrani zadatak.
Jedinstveno mjerilo posebno je važno jer se kvantni procesori temelje na različitim tehnologijama. Kod supravodljivih kubita problem može biti povezanost susjednih elemenata, dok kod ionskih procesora dodatno vrijeme odlazi na premještanje iona. Sam broj kubita zato nije dovoljan za poštenu usporedbu.
QUOPS ne daje konačan odgovor na pitanje koji će pristup dugoročno prevladati. Njegova je uloga praktična: pokazati gdje se pojedini sustav nalazi i koliko još mora napredovati. Takva usporedba znanstvenicima i ulagačima omogućuje da rezultate provjeravaju prema istom kriteriju.
