IBM提出速度衡量指標(biāo)“CLOPS” 推動(dòng)量子計(jì)算性能發(fā)展

北京時(shí)間11月12日消息（余予）IBM近日在其博客發(fā)文稱：IBM Quantum團(tuán)隊(duì)在過去一年中沿著其發(fā)展路線圖已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步。發(fā)展過程中，量子計(jì)算性能的提高尤為重要，其中衡量量子計(jì)算性能的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)包括規(guī)模、質(zhì)量和速度。

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

以下為博客全文：

IBM Quantum 團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)足的進(jìn)步，并計(jì)劃到 2023 年底在 1000 多個(gè)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)無摩擦量子計(jì)算，我們預(yù)計(jì)這將是該領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

我們推進(jìn)量子計(jì)算系統(tǒng)的指導(dǎo)原則和目標(biāo)是增加這些系統(tǒng)可以完成的有用工作量——簡(jiǎn)而言之，就是量子計(jì)算的性能。性能具有三個(gè)關(guān)鍵屬性：規(guī)模、質(zhì)量和速度。要將量子計(jì)算機(jī)引入組織的計(jì)算工作流程需要推動(dòng)這三個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。

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

對(duì)于規(guī)模，我們通過系統(tǒng)中的量子比特?cái)?shù)來衡量進(jìn)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(kuò)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(gè)系統(tǒng)；速度是一個(gè)經(jīng)常被討論的屬性，它對(duì)應(yīng)用程序的工作負(fù)載有實(shí)際影響。但一個(gè)合適的系統(tǒng)不可知的度量標(biāo)準(zhǔn)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(gè)指標(biāo)，我們稱之為電路層每秒操作數(shù)，或CLOPS。

通過CLOPS提高量子計(jì)算實(shí)用性

隨著量子計(jì)算的發(fā)展和開始解決實(shí)際問題，我們必須更加關(guān)注量子計(jì)算系統(tǒng)在給定的時(shí)間單位內(nèi)可以做多少工作。我們預(yù)計(jì)實(shí)際的工作負(fù)載涉及量子與經(jīng)典的交互——一個(gè)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(gè)算法將需要多次調(diào)用量子處理器。因此，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)允許高效量子經(jīng)典通信對(duì)于實(shí)現(xiàn)高性能至關(guān)重要。我們已將這種運(yùn)行時(shí)交互嵌入到CLOPS基準(zhǔn)測(cè)試提案中。

CLOPS 是一個(gè)與量子處理器執(zhí)行電路的速度相關(guān)的指標(biāo)——具體來說，該指標(biāo)衡量處理器可以執(zhí)行用于測(cè)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(duì)于支持基于變分方法的近期算法至關(guān)重要，因?yàn)樽兎址椒ㄐ枰?jīng)歷數(shù)千次迭代。改進(jìn)后的量子位比特門時(shí)間使我們能夠極大地?cái)U(kuò)展當(dāng)前量子系統(tǒng)的范圍，并使我們離超越經(jīng)典計(jì)算硬件更進(jìn)一步。

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

運(yùn)行時(shí)架構(gòu)和編譯階段。Quantum Volume 基準(zhǔn)測(cè)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(jì)算機(jī)的基本計(jì)算單元，就像經(jīng)典計(jì)算的邏輯電路。基準(zhǔn)測(cè)試需要執(zhí)行該模型電路的許多實(shí)例，并在運(yùn)行時(shí)生成的不同參數(shù)。這個(gè)硬件-軟件堆棧的各個(gè)部分都對(duì)CLOPS有貢獻(xiàn)，包括量子處理器的重復(fù)率、門運(yùn)行的速度、運(yùn)行時(shí)編譯、生成經(jīng)典控制指令所需的時(shí)間，以及所有單元之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。

要實(shí)現(xiàn)最高性能的量子計(jì)算系統(tǒng)，需要我們完全重新思考管理量子計(jì)算程序運(yùn)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(jì)算單元上運(yùn)行量子程序。同時(shí)，Qiskit Runtime允許量子計(jì)算機(jī)成為任何計(jì)算環(huán)境的一部分，以加速計(jì)算、處理任務(wù)編制和數(shù)據(jù)并傳輸?shù)搅孔犹幚韱卧畲笙薅鹊靥岣咝省?/p>

今天，我們最快的系統(tǒng)每秒可以進(jìn)行1400次電路層操作。

量子硬件的改進(jìn)將減少電路延遲時(shí)間、連續(xù)電路之間的空閑時(shí)間；運(yùn)行時(shí)架構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)將減少數(shù)據(jù)加載的初始化時(shí)間并改進(jìn)的運(yùn)行時(shí)編譯。

超導(dǎo)量子比特是高性能量子計(jì)算的自然選擇

我們的目標(biāo)是開發(fā)實(shí)用的量子計(jì)算，我們相信我們的超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)提供了推動(dòng)量子計(jì)算普及的最佳機(jī)會(huì)。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(shí)現(xiàn)高性能。例如，俘獲離子已經(jīng)顯示出實(shí)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(shí)現(xiàn)高速度，但迄今為止在推動(dòng)質(zhì)量或規(guī)模的能力方面面臨挑戰(zhàn)。

我們預(yù)計(jì)，當(dāng)涉及到在可擴(kuò)展性、質(zhì)量和速度方面的性能提升時(shí)，超導(dǎo)量子比特將為實(shí)現(xiàn)這三個(gè)方面的持續(xù)增長(zhǎng)提供最大的機(jī)會(huì)。

事實(shí)上，我們已經(jīng)在真實(shí)的科學(xué)演示中看到了速度的好處。在2017年，我們對(duì)氫化鋰分子的建模工作需要運(yùn)行48億個(gè)量子電路，這在我們之前的商業(yè)堆棧上需要花費(fèi)數(shù)月到數(shù)年的時(shí)間。但是現(xiàn)在，通過 Qiskit Runtime和其他改進(jìn)，我們可以將計(jì)算速度提高120倍。

如果我們希望加速量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，我們需要專注于量子計(jì)算機(jī)可以做的有用工作，我們需要在所有三個(gè)關(guān)鍵性能領(lǐng)域不斷改進(jìn)：

·我們致力于實(shí)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(diǎn)。

·質(zhì)量方面，我們正在積極推進(jìn)核心研究，以改善超導(dǎo)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(xiàng)性能指標(biāo)。

我們相信，通過我們對(duì)超導(dǎo)量子比特架構(gòu)的選擇和對(duì)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(shí)現(xiàn)更大的性能提升。

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