Durante anos, uma das maneiras mais simples de acompanhar computadores quânticos foi contar qubits. O problema é que dois processadores com números semelhantes podem apresentar capacidades completamente diferentes. Erros, conectividade, velocidade das operações e tamanho dos circuitos executados corretamente importam tanto quanto a quantidade de qubits. Pesquisadores liderados pelo Sandia National Laboratories agora propõem uma nova régua, chamada QUOPS, capaz de comparar arquiteturas diferentes e medir a distância entre as máquinas atuais e problemas considerados cientificamente úteis. A primeira medição mostra que essa distância ainda é grande: aproximadamente cinco ordens de grandeza em capacidade computacional para algumas das cargas analisadas.
O Quantum Universal Operation Performance System, QUOPS, mede o tamanho dos maiores circuitos computacionalmente relevantes que uma máquina quântica consegue executar com sucesso e a velocidade dessa execução. O benchmark foi aplicado a processadores da Quantinuum, Google e IBM utilizando qubits físicos e também a uma demonstração com até oito qubits lógicos codificados. O objetivo não é produzir uma simples classificação de fabricantes. É criar uma medida comparável entre tecnologias diferentes e que continue útil durante a transição para computadores tolerantes a falhas.
Quantos qubits seu computador tem? Essa já não é a melhor pergunta
Qubit virou o número mais reconhecível da computação quântica porque é relativamente fácil de comunicar. Uma máquina possui 50, 100, 1.000 ou mais qubits e o número parece sugerir imediatamente sua capacidade.
Na prática, ele diz apenas uma parte da história.
Qubits são extremamente sensíveis a erros. Operações possuem diferentes níveis de fidelidade. A conectividade entre qubits varia entre arquiteturas. O tempo necessário para executar portas também muda radicalmente conforme a tecnologia utilizada.
Uma máquina pode possuir mais qubits e não conseguir executar corretamente um circuito profundo. Outra pode ter menos qubits, mas operar com erros menores e conectividade diferente.
Contar componentes não informa sozinho quanto trabalho computacional útil o sistema consegue realizar.
Comparar computadores quânticos é especialmente difícil
Computadores clássicos já exigem diferentes métricas para comparação. Frequência do processador, número de núcleos, memória e desempenho em tarefas específicas dizem coisas diferentes.
Na computação quântica, a dificuldade é maior porque existem tecnologias físicas bastante distintas tentando chegar ao mesmo objetivo.
Google e IBM trabalham com plataformas baseadas em qubits supercondutores. Quantinuum utiliza íons aprisionados. Outros grupos exploram átomos neutros, fotônica e diferentes abordagens.
Cada arquitetura apresenta compromissos próprios entre velocidade, fidelidade, conectividade, escala e controle.
Isso torna perigoso transformar uma única especificação em sinônimo de desempenho.
O que o QUOPS tenta medir
O trabalho liderado pelo Sandia propõe o Quantum Universal Operation Performance System.
A ideia é observar a capacidade computacional do sistema de maneira mais próxima daquilo que interessa numa aplicação real.
O benchmark procura identificar os maiores circuitos computacionalmente relevantes que a máquina consegue executar com sucesso. Em seguida, incorpora a velocidade com que essa capacidade pode ser utilizada.
Assim, tamanho e desempenho temporal entram na mesma estrutura de avaliação.
O objetivo é permitir comparação entre plataformas muito diferentes sem depender de uma característica exclusiva de determinado fabricante.
Largura e profundidade importam
Um circuito quântico pode ser descrito por características como largura e profundidade.
A largura está relacionada à quantidade de qubits utilizada. A profundidade representa, de maneira simplificada, quantas camadas de operações precisam ser executadas.
Um circuito muito largo e extremamente raso não apresenta o mesmo desafio que outro com quantidade semelhante de qubits e muitas operações sequenciais.
À medida que a profundidade cresce, erros acumulados podem destruir o resultado antes do final da computação.
É por isso que simplesmente possuir muitos qubits físicos não garante capacidade para resolver problemas complexos.
Google, IBM e Quantinuum foram colocados na mesma régua
Os pesquisadores aplicaram experimentalmente o QUOPS a processadores de três dos principais desenvolvedores atuais de hardware quântico: Quantinuum, Google e IBM.
A importância do teste está justamente na diferença entre essas plataformas.
Íons aprisionados e circuitos supercondutores não operam da mesma maneira. Tempos de porta, conectividade e taxas de erro podem favorecer diferentes tipos de circuito.
Uma métrica realmente útil precisa reconhecer essas diferenças sem simplesmente declarar que uma arquitetura é superior em qualquer situação.
O QUOPS procura medir o resultado do sistema completo diante de cargas comparáveis.
O resultado não é uma corrida com um vencedor
Transformar os resultados em "Google contra IBM contra Quantinuum" seria perder o ponto principal do trabalho.
Os experimentos mostram regiões diferentes de capacidade e desempenho. Determinada arquitetura pode executar operações rapidamente, enquanto outra pode sustentar circuitos diferentes com maior fidelidade ou conectividade.
O benchmark não foi proposto como selo definitivo para escolher uma empresa vencedora.
Ele tenta criar uma linguagem comum para acompanhar evolução.
Isso também ajuda a reduzir um problema recorrente do setor: fabricantes divulgarem números diferentes, cada um destacando a característica em que sua própria arquitetura aparece melhor.
Hoje estamos na escala de centenas ou poucos milhares
Nos testes apresentados pelos pesquisadores, os processadores físicos avaliados alcançaram resultados na faixa de centenas a poucos milhares de QUOPS, com valores reportados entre 216 e 1.824.
O número isolado continua não dizendo muita coisa ao leitor. Ele ganha significado quando comparado com os problemas que a equipe considera representativos de computação quântica útil.
E é nessa comparação que aparece a distância tecnológica.
Algumas cargas úteis exigiriam centenas de milhões
Os pesquisadores traduziram requisitos de problemas de referência para a mesma linguagem utilizada pelo benchmark.
As estimativas para algumas dessas cargas ficam na ordem de centenas de milhões de QUOPS. O trabalho resume a diferença entre a capacidade atual medida e esses desafios como aproximadamente cinco ordens de grandeza.
Uma ordem de grandeza representa aproximadamente um fator dez. Cinco ordens correspondem, em escala, a algo próximo de um fator cem mil.
Isso não significa que basta construir cem mil cópias da máquina atual.
Computação quântica não escala dessa maneira.
Por que não basta instalar mais qubits
Adicionar qubits físicos também adiciona problemas de controle, calibração, interconexão e erro.
Quanto maior o circuito, mais oportunidades existem para pequenas imperfeições se acumularem.
Em algum ponto, tentar aumentar apenas o número de qubits físicos sem reduzir erros deixa de produzir capacidade computacional proporcional.
Essa é uma das razões pelas quais grande parte da indústria considera correção de erros e qubits lógicos essenciais para máquinas de grande escala.
Qubits físicos e lógicos não são a mesma coisa
O qubit físico é o componente real implementado no hardware.
Um qubit lógico é uma unidade de informação quântica protegida utilizando um conjunto de qubits físicos e técnicas de correção de erros.
A ideia é detectar e corrigir falhas sem destruir a informação que está sendo processada.
O preço dessa confiabilidade é alto. Dependendo da arquitetura e do código utilizado, podem ser necessários vários qubits físicos para construir uma quantidade muito
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