Kvantové počítače: nadějná, ale ještě dost vzdálená budoucnost

Nový benchmark by mohl výzkumníkům i zájemcům o pořízení kvantových počítačů poskytnout praktičtější způsob jejich porovnávání i vodítko, jak hodnotit konkurenční systémy. Zájemce, který hledá stroj schopný spolehlivě provádět bilion operací, by např. mohl specifikovat cíl na úrovni systému, aniž by stanovil konkrétní technologii qubitů nebo návrh pro korekci chyb.

Nový nástroj pro měření kvantového výkonu
Nástroj, nazvaný QUOPS (Quantum Universal Operations Performance System), lze aplikovat na různé architektury, kódy, modality i úrovně odolnosti vůči chybám. Na jeho vývoji spolupracovaly společnosti Quantinuum a NVIDIA. Cílem bylo vytvořit jednotné měřítko, které umožní objektivněji porovnávat různé kvantové platformy a sledovat jejich pokrok směrem k prakticky užitečným a fault tolerantním kvantovým počítačům. 
Zpráva zveřejněná v odborném článku ještě před konáním akce IEEE Quantum Week obsahuje předběžné výsledky a úvodní hodnoty QUOPS pro kvantové procesory (QPU) od společností Google, IBM a Quantinuum. Článek je k dispozici na serveru arXiv.org a nástroj QUOPS lze spustit i prostřednictvím platformy GitHub, navíc společnost Nvidia zpřístupnila referenční implementaci QUOPS v rámci svého prostředí Nvidia CUDA-Q.
Místo tradičních metrik, jako je počet qubitů nebo věrnost bran, QUOPS hodnotí, jak velké kvantové obvody dokáže systém skutečně úspěšně vykonat a jak rychle je zvládne zpracovat. Spouští stejné sady náhodně generovaných úloh v různých výpočetních konfiguracích, vyhodnocuje úspěšnost jednotlivých úloh, určuje hranice oblasti schopností daného systému a vykazuje dvě souhrnné metriky.
První (označovaná písmenem Q) udává velikost největšího obvodu použitého v testu, který splní prahovou hodnotu úspěšnosti v oblasti relevantní pro praktické využití (tzv. utility-motivated region), tedy největší velikost úspěšně zvládnutého kvantového obvodu, která je definována jako dvojnásobek šířky a hloubky.
Druhá metrika (nese symbol řeckého písmene omega – Ω) hodnotí efektivní počet kvantových operací za sekundu v daném bodě. Dohromady tyto dva údaje ukazují jak rozsah výpočtu, tak rychlost, s jakou jej stroj provádí. Vysoké skóre Q bez odpovídající rychlosti by mohlo popisovat systém, který dokončuje velké obvody, ale vyžaduje značný čas. Vysoká rychlost spárovaná s menším skóre Q by mohla popisovat rychlý stroj, který je omezen na kratší nebo užší výpočty.
Výsledek představuje přímé měřítko toho, jaký objem výpočtů a jak rychle systém zvládne. Tyto údaje společně poskytují lepší pohled na schopnosti systému a zároveň převádějí jeho výkon na společnou jednotku, kterou jsou kvantové operace. 

Porovnání různých technologií
Výzkumníci otestovali nový nástroj na procesorech společností Quantinuum, Google a IBM, a výsledky odhalily kompromis, který základní hardwarové specifikace často zastírají. Supravodivé procesory Willow (Google) a Boston (IBM) dosáhly vyšších rychlostí QUOPS, ale menších oblastí kapacity a Q skóre, zatímco Helios (Quantinuum) využívající technologii zachycených iontů úspěšně zvládl rozsáhlejší testovací obvody a dosáhl vyššího Q skóre, ale pracoval s nižší rychlostí.
Willow a Boston sázejí na tzv. supravodivé qubity – provádějí čtení bran rychle, ale každý qubit se obvykle přímo připojuje jen k omezenému počtu sousedních qubitů a výpočty zahrnující vzdálené qubity mohou vyžadovat další směrovací operace, což mj. zvyšuje riziko chyb. Helios používá zachycené ionty a koncepci označovanou jako kvantové zařízení s vázaným nábojem, jeho brány fungují pomaleji než u supravodivých procesorů, ale systém poskytuje efektivní propojení všech.
Podle společnosti Quantinuum zůstávají metriky na úrovni komponent pro inženýrství zásadní – počet qubitů, věrnost dvou qubitů a rychlost hradla mohou odhalit chyby v řízení, přeslechy, úniky, omezení konektivity a další systémová omezení, ale nemusejí předpovídat výkon na úrovni systému. Údaje o počtu qubitů, přesnosti a rychlosti hradel, jimiž jsou obvykle charakterizovány kvantové počítače, ne vždy vypovídají, jak si celý stroj povede při náročném výpočtu. 
Systém s velkým počtem qubitů nemusí být schopen všechny využít efektivně, pokud vykazuje vysokou chybovost, podobně jako stroj s rychlými hradly může část této výhody ztratit, pokud omezené propojení mezi qubity vyžaduje provádění dalších operací, zatímco menší procesor s přesnějšími qubity a lepší konektivitou může zvládnout rozsáhlejší obvod, ačkoli pracuje pomaleji. 
QUOPS vnímá kvantový počítač jako celek a místo odhadování výkonu na základě specifikací jednotlivých komponent využívá náhodně generované obvody o různé šířce a hloubce. Multiplatformní testování je důležité, protože různí výrobci používají systémy s různým designem a provozními charakteristikami.
Srovnání neidentifikuje jednu architekturu jako univerzálně lepší, ale ukazuje, že systémy mohou v závislosti na pracovní zátěži a jejím typu dosáhnout výkonu prostřednictvím různých kombinací přesnosti, rychlosti a konektivity.

Na skutečně náročné úlohy zatím nestačí
Studie také naznačuje, že budoucí kvantové počítače budou k vědeckému využití potřebovat ještě výrazné zvýšení výpočetní kapacity – a to aspoň stonásobně (!) vyšší výkon, aby dokázaly řešit úlohy jako pokročilé simulace materiálů nebo chemických systémů. 
Dnešní stroje dokážou provádět stále složitější experimenty, ale délku a rozsah výpočtů, které lze spolehlivě dokončit, stále omezuje šum. Takže vývojáři zintenzivňují úsilí o dosažení kvantových výpočtů odolných vůči chybám (fault-tolerant computing), které využívají opravu chyb k ochraně výpočtů před selháními, jež narůstají s rostoucí složitostí obvodů. QUOPS proto zohledňuje i náklady na zmírnění chyb, které využívá opakované běhy a dodatečné zpracování dat k odhadu toho, co by kvantový počítač vytvořil s menším šumem, což může zlepšit kvalitu výsledku, ale snižuje efektivní rychlost výpočtu.
Je také důležité připomenout, že šlo o experiment na malé implementaci, s cílem ukázat, že stejný benchmark může měřit jak současné stroje s fyzickými qubity, tak nově vznikající systémy s logickými qubity. 
Systém QUOPS měří obvody, které výsledný systém dokáže zpracovat, přičemž demonstrace logických qubitů byla omezena na 8 kódovaných qubitů a relativně jednoduché nastavení pro korekci chyb. Quantinuum zdůrazňuje, že kvantový benchmark nenahradí měření komponent ani aplikačně specifické testy či benchmarky pro kvantové systémy propojené s vysoce výkonnými počítači, ale slouží jako společné měřítko na úrovni systému.

Jan Přikryl
Foto: Shutterstock

Publikováno: 13. 10. 2026 | Počet zobrazení: 78 | Počet přeposlání: 0 11