IBM推动量子性能：更多的量子比特、更高的量子体积，现在是衡量速度的正确方法
FUTURE | 远见
FUTURE | 远见 闵青云 文
2021年11月1日，IBM在其博客提出了一个量子度量，称之为电路层每秒操作数（简称 CLOPS）。IBM Quantum 团队计划在 2023 年底之前在 1000 多个系统上实现无摩擦量子计算，预计这将成为该领域发展的一个转折点。
IBM认为推进量子计算系统的指导原则和目标是增加这些系统可以完成的有用工作量，简而言之，就是提高量子计算性能。性能需要三个关键属性：规模、质量和速度。将量子计算机带入组织的计算工作流程需要推动这三个领域，而 IBM Quantum 的超导量子系统已准备好引领这三个领域。
对于规模，通过系统中的量子比特数来衡量进展。由于在扩展技术方面不断创新，IBM 去年发布了 65 个量子比特的 Hummingbird，今年有望交付 127 个量子比特的 Eagle。质量方面，使用 Quantum Volume 并为当今的用户提供具有 QV 128 的多个系统。速度是一个经常被讨论的属性，对应用程序工作负载有实际影响，但一个合适的系统不可知度量标准尚未出现，它可以捕获电路执行的硬件和软件之间的完全依赖关系。
为此，IBM提出一个指标，称之为电路层每秒操作数（CLOPS）。
衡量量子计算性能的三个关键指标：规模、质量和速度 | 图源：IBM
CLOPS 操作为量子计算带来实用性
随着量子计算的发展并开始解决实际问题，必须更加关注量子计算系统在给定的时间单位内可以做多少工作。IBM 期望真正的工作负载涉及量子与经典交互，一个完整的程序将调用一个量子处理器作为某些任务的加速器，或者一个算法将需要多次调用一个量子处理器。因此，允许高效量子经典通信的运行时系统对于实现高性能至关重要。IBM 已将这种运行时交互嵌入到 CLOPS 基准测试提案中。
「CLOPS 是一个与量子处理器执行电路的速度相关的指标，具体来说，指标衡量处理器可以执行与用于测量量子体积相同类型的参数化模型电路层的速度。」Super.tech 创始人兼首席执行官 Pranav Gokhale 说「提高量子处理器速度对于支持基于变分方法的近期算法至关重要，这需要数千次迭代。改进的量子比特门时间使我们能够极大地扩展当前量子系统的范围，并使我们更接近超越经典计算硬件。」
运行时架构和编译阶段。显示了 Quantum Volume 基准测试的电路模式，以及它的离线编译。电路层每秒操作数基准测试中的电路参数在运行时更新，使得该指标严重依赖于运行时架构和运行时编译。| 图源：IBM
量子电路是量子计算机的基本计算单元，很像经典计算的逻辑电路。基准测试需要使用运行时生成的不同参数执行该模型电路的许多实例。这个硬件-软件堆栈的各个部分都对 CLOPS 有贡献，包括量子处理器的重复率、门运行的速度、运行时编译、生成经典控制指令所需的时间，最后是数据所有单元之间的传输率。
提供最高性能的量子计算系统要求 IBM 完全重新思考管理如何运行量子计算程序的架构，这就是为什么引入 Qiskit Runtime的原因。
Qiskit Runtime 是一种便携式、安全、容器化的架构，可在与量子处理器紧密集成的经典计算单元上运行量子程序。Qiskit Runtime 允许量子计算机成为任何计算环境的一部分，以加速计算（类似于 GPU）并处理作业编排和数据传输到量子处理单元，最大限度地提高效率。
此刻，IBM 最快的系统每秒最多可以运行 1400 次电路层操作。
超导量子比特是高性能量子计算的自然选择
IBM 的目标是开发实用的量子计算，相信超导量子比特系统提供了推动量子计算无处不在的最佳机会。其他量子架构可以在规模、质量和速度等属性中的某些（但不是全部）方面实现高性能。例如，离子阱已显示出实现高量子体积的能力，但在解决速度方面面临挑战，而自旋量子比特可以实现高速度，但迄今为止在推动质量或规模的能力方面面临挑战。
预计在可扩展性、质量和速度方面持续实现性能提升时，超导量子比特将在这三方面的持续增长提供最大的机会。
事实上，IBM 已经通过真实的科学演示看到了速度的好处。早在 2017 年，对氢化锂分子进行建模的工作需要在之前的商业堆栈上运行 48 亿个量子电路需要几个月到几年的时间。但是现在，通过 Qiskit Runtime和其他改进可以将计算速度提高 120 倍。
如果希望加速量子计算机的应用，IBM 需要专注于量子计算机可以做的有用工作，需要在所有三个关键性能领域不断改进：
致力于实现扩展路线图，Falcon (27)、Hummingbird (65) 和 Eagle (127) 很快证明了这一点。
质量方面，IBM 正在积极推进核心研究，以改善超导量子比特的基本相干性和门错误。
现在引入了 CLOPS 来完善这三项性能指标。
IBM 相信，通过选择超导量子比特架构和引入 Qiskit Runtime，随着IBM 继续执行发展路线图，在不久的将来将看到更大的性能提升。
原文链接：
https://research.ibm.com/blog/circuit-layer-operations-per-second#fn-2
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