IBM提出速度衡量指标“CLOPS” 推动量子计算性能发展

北京时间11月2日消息（余予）IBM近日在其博客发文称：IBM Quantum团队在过去一年中沿着其发展路线图已经取得长足进步。发展过程中，量子计算性能的提高尤为重要，其中衡量量子计算性能的三个关键指标包括规模、质量和速度。

日前，在原有指标的基础上，IBM提出一种速度测量指标——电路层每秒操作数，也称CLOPS。

以下为博客全文：

IBM Quantum 团队在过去一年中取得了巨大的成就。我们已经沿着我们的发展路线图取得了长足的进步，并计划到 2023 年底在 1000 多个系统上实现无摩擦量子计算，我们预计这将是该领域发展的一个转折点。

我们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，就是量子计算的性能。性能具有三个关键属性：规模、质量和速度。要将量子计算机引入组织的计算工作流程需要推动这三个领域的发展。

衡量量子计算性能的三个关键指标：规模、质量、速度（图源：IBM）

对于规模，我们通过系统中的量子比特数来衡量进展。我们去年发布了65量子比特的处理器，今年有望交付 127量子比特的Eagle处理器，这归功于扩展技术方面的不断创新。

就质量而言，我们使用之前定义的量子体积，并为今天的用户提供带有128量子体积的多个系统；速度是一个经常被讨论的属性，它对应用程序的工作负载有实际影响。但一个合适的系统不可知的度量标准尚未出现，它可以捕获电路执行的硬件和软件之间的完全依赖关系。

今天，我们想提出一个指标，我们称之为电路层每秒操作数，或CLOPS。

通过CLOPS提高量子计算实用性

随着量子计算的发展和开始解决实际问题，我们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。我们预计实际的工作负载涉及量子与经典的交互——一个完整的程序将调用量子处理器作为某些任务的加速器；一个算法将需要多次调用量子处理器。因此，运行时系统允许高效量子经典通信对于实现高性能至关重要。我们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，该指标衡量处理器可以执行用于测量量子体积的相同类型的参数化模型电路层的速度。

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，因为变分方法需要经历数千次迭代。改进后的量子位比特门时间使我们能够极大地扩展当前量子系统的范围，并使我们离超越经典计算硬件更进一步。

——Pranav Gokhale，Super.tech创始人兼首席执行官

运行时架构和编译阶段。Quantum Volume 基准测试的电路模式，以及它的离线编译。（图源：IBM）

量子电路是量子计算机的基本计算单元，就像经典计算的逻辑电路。基准测试需要执行该模型电路的许多实例，并在运行时生成的不同参数。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，以及所有单元之间的数据传输速率。

要实现最高性能的量子计算系统，需要我们完全重新思考管理量子计算程序运行的架构，这就是我们引入Qiskit Runtime的原因。

Qiskit Runtime是一种便携式、安全、容器化的架构，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。同时，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、处理任务编制和数据并传输到量子处理单元，最大限度地提高效率。

今天，我们最快的系统每秒可以进行1400次电路层操作。

量子硬件的改进将减少电路延迟时间、连续电路之间的空闲时间；运行时架构的进一步改进将减少数据加载的初始化时间并改进的运行时编译。

超导量子比特是高性能量子计算的自然选择

我们的目标是开发实用的量子计算，我们相信我们的超导量子比特系统提供了推动量子计算普及的最佳机会。其他量子体系架构可以在规模、质量和速度等某些（但不是全部）方面实现高性能。例如，俘获离子已经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。

我们预计，当涉及到在可扩展性、质量和速度方面的性能提升时，超导量子比特将为实现这三个方面的持续增长提供最大的机会。

事实上，我们已经在真实的科学演示中看到了速度的好处。在2017年，我们对氢化锂分子的建模工作需要运行48亿个量子电路，这在我们之前的商业堆栈上需要花费数月到数年的时间。但是现在，通过 Qiskit Runtime和其他改进，我们可以将计算速度提高120倍。

如果我们希望加速量子计算机的应用，我们需要专注于量子计算机可以做的有用工作，我们需要在所有三个关键性能领域不断改进：

·我们致力于实现我们的发展路线图，Falcon (27)、Hummingbird (65) 和 Eagle (127)证明了这一点。

·质量方面，我们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误差。

·我们现在引入了CLOPS来完善这三项性能指标。

我们相信，通过我们对超导量子比特架构的选择和对Qiskit Runtime的引入，随着我们继续执行我们的发展路线图，我们将在不久的将来实现更大的性能提升。

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