谁是最强量子计算机的争论第一次有了实际意义：一种面向应用的性能衡量方法
光子盒研究院出品
IBM、谷歌、霍尼韦尔、IonQ等商业公司都宣称他们的量子计算机是世界最强。然而由于量子计算机存在超导、离子阱、光子等各种各样的物理实现方式，如何比较不同量子计算机的性能一直是个难题，例如，单纯地比较量子比特数是一种非常粗糙的方式，虽然研究人员提出了随机基准测试、量子体积(QV)等性能衡量方法，但这些方法无法在应用层面衡量量子计算机的性能，即运行量子算法的实际表现。
美国量子经济发展联盟(QED-C)及其成员经过多年的努力，开发了一种新的量子计算机性能衡量方法——“面向应用的量子计算性能基准测试”。
10月12日，QED-C宣布面向应用的量子计算性能基准测试程序开源套件已公开可用。
开源代码存储库：
https://github.com/SRI-International/QC-App-Oriented-Benchmarks
这种新方法在一系列问题维度上执行熟悉的量子算法和程序，从而衡量量子计算机执行量子操作的效果和速度。QED-C方法补充了其他表征量子计算机性能的方法，如随机基准测试或量子体积。使得“谁是最强量子计算机”的争论第一次有了实际意义。
最近，QED-C已经公开了一篇介绍该方法的arXiv论文，作者分别来自QED-C、科罗拉多矿业学院、普林斯顿大学、桑迪亚国家实验室量子性能实验室，以及霍尼韦尔、Quantum Circuits Inc、IonQ和D-Wave四家公司。
近年来最知名的量子计算机性能衡量指标是量子体积(QV)，最早由IBM引入。这是一个单一的指标，它考虑到了多个因素的影响，包括量子比特数、系统错误、设备连接性和编译器效率。
但是由于量子硬件中错误的复杂性，无论是设备的量子体积还是任何其他单一指标都不可能准确预测其在所有应用程序中的性能。
因此，迫切需要一套不同的面向应用的指标和基准，用于测试量子计算机在实际相关任务上的性能。此类基准测试将使硬件开发人员能够以商业相关的方式量化他们的进展，并使最终用户能够更准确地预测可用硬件在其应用程序中的性能。
QED-C及其成员开发了一套可扩展的面向量子应用的性能基准。如下图所示，这个套件中的每个基准都源自一个算法或应用程序，并指定了一个可扩展的量子电路系列。以此来评估量子硬件成功执行有意义的计算任务的能力，并旨在反映量子计算机的可能用例。
该基准测试基于的算法和应用程序总结在下表中。每个基准测试都基于其中一个算法，但算法本身并不定义唯一的基准测试。此外，在某些情况下，还会基于一个算法开发多个基准测试。
这个基准测试套件之所以称为“面向应用程序”的基准测试，因为它包括作为许多应用程序(例如量子傅里叶变换)关键组成部分的量子算法。
基准测试大致分为三类：“教程”基准测试来自简单的例子，通常在教程中能够找到，可以用浅层电路实现。“子程序”基准测试由算法或代码模块组成，通常用作大型功能应用程序的一部分。“功能”基准测试更接近完整的应用程序，但它们不一定与完整的应用程序完全对应。
为了证明这种方法的可行性，他们展示了在量子模拟器和量子计算机上执行面向应用程序的基准测试的结果。
该基准测试套件可以在多个量子编程环境几乎完全相同地执行，包括Qiskit、Cirq和Braket。所有的基准测试都是使用Qiskit API实现的。一些(但不是全部)已经使用Cirq和Braket API实现。
他们分别在Rigetti、IBM、霍尼韦尔和IonQ的量子计算机上执行了基准测试。结果如下：
在Rigetti的Aspen-9上演示了两个基准测试。下图显示了在Aspen-9上运行Hidden Shift基准测试(上)和量子傅里叶变换基准测试(下)时观察到的结果保真度。对于每个基准测试，他们将平均结果保真度作为电路宽度(量子比特数)的函数。
在IBM Q Casblanca量子计算机上也演示了量子傅里叶变换基准测试。下图显示了平均结果保真度(上)和电路深度(下)，它们是电路宽度(量子比特数)的函数。
下图显示了IBM Q Casblanca运行所有算法时的保真度：
以及另外两台IBM量子计算机的基准测试结果：
下图是在霍尼韦尔12量子比特的H1 Model系统(1024量子体积)进行基准测试的结果：
最后，分别在IonQ的11比特(上)和21比特(下)的量子计算机上进行了基准测试，结果如下：
该团队表示，面向应用的基准测试套件旨在适用于任何基于门的量子计算机，该套件的实现适用于任何可以与Qiskit、Cirq、Braket或Q#接口的平台，例如下表所示的硬件。虽然他们没有进行测试，但是他们表示这些硬件可以与基准测试套件的实现兼容。
参考链接：
[1]https://www.hpcwire.com/off-the-wire/qed-c-introduces-a-novel-approach-to-measuring-performance-of-quantum-computers/
[2]https://arxiv.org/pdf/2110.03137.pdf