Wie sollen verschiedene Quantencomputer verglichen werden?

In den letzten Jahren gab es eine Reihe von Demonstrationen von Geräten, die in der Lage sind, im kleinen Maßstab nicht fehlertolerante Quantenberechnungen (oder Quantentechnologien mit verrauschtem Zwischenmaßstab, wie sie genannt wurden ) nachzuweisen .

Damit meine ich hauptsächlich die supraleitenden und Ionenfallen-Geräte, die von Gruppen wie Google, Microsoft, Rigetti Computing, Blatt's Gruppe (und wahrscheinlich anderen, die ich jetzt vergesse) demonstriert wurden.

Diese und die folgenden Geräte unterscheiden sich häufig grundlegend (hinsichtlich der Architektur, der einfacher / schwerer zu implementierenden Gatter, der Anzahl der Qubits, der Konnektivität zwischen den Qubits, der Kohärenz und der Gatterzeiten, der Generierung) und Auslesemöglichkeiten, Gatetreue, um die offensichtlichsten Faktoren zu nennen).

Auf der anderen Seite ist es in Pressemitteilungen und nicht-technischen Nachrichten weit verbreitet zu sagen, dass das neue X-Gerät Y-mehr Qubits hat als das vorherige, daher ist es viel leistungsfähiger.

Ist die Anzahl der Qubits wirklich ein so wichtiger Faktor für die Beurteilung dieser Geräte? Oder sollten wir stattdessen andere Metriken verwenden? Gibt es allgemein "einfache" Metriken, mit denen sich verschiedene Geräte qualitativ, aber sinnvoll vergleichen lassen?

Ich denke, die Antwort hängt davon ab, warum Sie sie vergleichen. Dinge wie das Quantenvolumen sind vielleicht besser geeignet, den Fortschritt bei der Entwicklung von Geräten zu definieren, als die Endbenutzer umfassend zu informieren.

Wenn Sie beispielsweise einen neuen Laptop kaufen, verwenden Sie beim Vergleich wahrscheinlich mehr als nur eine einzige Zahl. Gleiches sollte für Quantenprozessoren gelten. Ein Gerät hat viele verschiedene Aspekte: Anzahl der Qubits, Konnektivität, alle Arten von Rauschen, Zeit für die Messung (und ob eine Rückmeldung von Messergebnissen möglich ist), Gate-Betriebszeiten usw. All diese müssen kombiniert werden Sagen Sie Ihnen, was Sie tatsächlich wissen müssen: Kann es das Programm ausführen, das Sie ausführen möchten? Ich denke, das wird immer der relevanteste Vergleich sein. Aber es ist auch das schwierigste.

Dies ist ein sehr umstrittenes Thema, und ich bin mir nicht sicher, ob es derzeit eine Antwort auf Ihre Frage gibt. Das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) hat jedoch PAR 7131 - Standard für Quantum Computing Performance Metrics & Performance Benchmarking vorgeschlagen :

Ziel dieses Projekts ist es, einen standardisierten Satz von Leistungsmetriken und eine standardisierte Methodik für das Benchmarking der Geschwindigkeit / Leistung verschiedener Arten von Quantencomputerhardware und -software bereitzustellen und diese Leistungsmetriken mit identischen Metriken in klassischen Computern zu vergleichen, die Benutzer von Dieses Dokument kann die Geschwindigkeit eines Quantencomputers für eine bestimmte Anwendung bestimmen und die Leistung des Computers einfach und zuverlässig vergleichen.

Vollständige Offenlegung Ich bin der derzeitige Vorsitzende der Quantum Computing Standards Workgroup und der Grund, warum dieser PAR ursprünglich vorgeschlagen wurde, war ein Mangel an Dokumentation / Standards zum Testen der verschiedenen Quantencomputerarchitekturen gegen klassische Architekturen und gegeneinander. Die Faktoren, die Sie oben gesehen haben

Anzahl der Qubits, Konnektivität zwischen den Qubits, Kohärenz und Gate-Zeiten, Generierungs- und Auslesefähigkeiten, Gate-Wiedergabetreue

sind alle enthalten, wie auch mehrere andere Faktoren. Ebenso haben wir daran gearbeitet, Löser zu standardisieren. eine oft übersehene Komponente im Benchmarking. Nicht optimierte Löser kommen nur allzu oft einer Quantenmaschine zugute, wenn sie Quantenarchitekturen mit klassischen Architekturen vergleichen. Das heißt, der auf der Quantenarchitektur ausgeführte Löser wird immer dort optimiert, wo der auf der klassischen Architektur ausgeführte Löser nicht ist. Dies schafft eine inhärente Verzerrung zugunsten der Quantenarchitektur.

Wenn Sie sich an der Entwicklung dieses Standards beteiligen möchten, lassen Sie es mich bitte wissen. Je mehr Leute sowohl von der quantalen als auch von der klassischen Seite des Arguments beteiligt sind, desto besser ist es imho. In der Zwischenzeit wird der PAR in Kürze seine Arbeit aufnehmen und seine Bemühungen mit anderen Normungsorganisationen koordinieren, damit ein einheitlicher Standard ohne Verzerrung entstehen kann, um künftig die Leistung und das Benchmarking zu verbessern.

Die Anzahl der Qubits sollte zwar Teil einer solchen Metrik sein, aber sie ist weit von allem entfernt.

Der Vergleich zweier völlig unterschiedlicher Bauelemente (z. B. supraleitende und lineare Optik) ist jedoch nicht die einfachste Aufgabe ¹ .

Faktoren

Fragen zu Kohärenz und Gate-Zeiten entsprechen Fragen zu Wiedergabetreue und Gate-Zeiten ¹ . Wenn Gates schwieriger oder einfacher zu implementieren sind, wirkt sich dies wiederum auf die Wiedergabetreue aus.

Die Initialisierungsrate, die Qubit / Verschränkungserzeugung und die Auslesefunktionen (usw.) werden die Gesamttreue beeinflussen sowie in etwa die Häufigkeit (im Durchschnitt), mit der eine Berechnung durchgeführt werden kann (wobei für einige ein ausreichend genaues Ergebnis erzielt wird) Idee von 'hoch genug Treue') '.

In Bezug auf die Architektur hat die Makroarchitektur (z. B. qRAM) ihre eigenen Standards und Benchmarks, wie z. B. die Auslesezeit, "wird bei Bedarf ausgelesen?". und natürlich Treue.

Die weitere Mikroarchitektur kann unter denselben Konnektivitätsbegriffen beschrieben werden.

Eine andere Metrik, die häufig ignoriert wird, ist die verwendete Leistung bzw. die verwendeten Ressourcen.

Insgesamt mag dies die Liste etwas eingegrenzt haben , aber es handelt sich immer noch um eine Liste, die einen angemessenen Vergleich erfordert . Der Vergleich verschiedener Geräte, die dieselbe Methode verwenden, ist nicht ganz so einfach wie (auf dem aktuellen Stand der Technik), da Prozessoren mit einer höheren Anzahl von Qubits häufig eine geringere Wiedergabetreue aufweisen ² .

Quantenvolumen

$2$$\epsilon_{eff}$

$n$$n'$

Natürlich wollen wir über die Wissenschaft hinaus und in die Technik vordringen. Dafür brauchen wir einen Standard ³ . Dies wird derzeit geplant, wie in Whurleys Antwort ausgeführt .

Wie jedoch ein Vergleich zwischen diesen Listen nicht einfach sein wird, gibt es immer die subjektive Art und Weise, wie Quantum Awesomeness , wo der Genuss des Spiels hängt davon ab , wie gut der Prozessor ⁴ .

^{1 In diesem speziellen Fall besteht ein Beispiel darin, dass Photonen nicht dekohärent sind und daher angepasst werden müssen, um nach der Zeitdauer oder Anzahl der Gates zu fragen, bevor der realisierte Zustand keine gute Annäherung mehr an den idealen Zustand darstellt, der fragt nur nach der Wiedergabetreue oder der Wiedergabetreue und den Gate-Zeiten}

^{2 Ich habe zumindest so viel ausprobiert und auch das ist nicht gerade die spaßigste Aufgabe}

^{3 Die erste im Gegensatz zu XKCD 927}

^{4 Nach Meinung des Autors ist es zwar eine großartige Idee und hilfreich, sich ein Bild davon zu machen, wie gut ein Prozessor ist, aber zu sagen, dass ein Prozessor in einem solchen Spiel besser ist als der andere, ist ein bisschen zu subjektiv, um zu sagen, ob ein Prozessor tatsächlich besser ist als Ein weiterer}

IBM fördert die Idee des Quantenvolumens (siehe auch diese ), die Leistung einer Gate-Modell-Maschine mit einer einzigen Zahl zu quantifizieren. Bevor IBM, es war ein Versuch von Rigetti einen definieren Gesamtquantenfaktor . Unklar, ob es erfasst, was wir in Bezug auf die Nützlichkeit von Geräten für Anwendungen wollen. Dinge wie das Quantenvolumen sind meines Erachtens auf Vorherrschaftsexperimente ausgelegt. Ich bin der Meinung, dass eine Metrik wirklich anwendungsspezifisch sein sollte. In dieser Arbeit wurde vorgeschlagen, für die Stichprobe den qBAS-Score zu verwenden .

Bei Quantenglühen und ähnlichen analogen Ansätzen scheint sich die Community auf Lösungszeiten und -varianten zu einigen . mal wieder recht anwendungsspezifisch.

Die Community arbeitet an der Definition von Metriken, und ich gehe davon aus, dass 2018 tatsächlich dasselbe Problem auf verschiedenen Geräten auftreten wird (empirischer Vergleich).