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IBM提出新的量子指标

量子创投界

2021-11-02

导读：今天，IBM提出了一个量子指标，称之为每秒电路层操作，或Circuit Layer Operations Per Second（CLOPS）。

今天，IBM提出了一个量子指标，称之为每秒电路层操作，或Circuit Layer Operations Per Second（CLOPS）。

在过去的一年里，IBM量子团队取得了很大的成就。IBM已经沿着发展路线图取得了长足的进步，并计划在2023年底之前在1000多个系统上实现无摩擦量子计算，IBM预计这将是该领域发展的一个拐点。

在推进量子计算系统的过程中，IBM的指导原则和目标是增加这些系统所能完成的有用工作量--简单地说，就是量子计算性能。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所有这三个领域，IBM量子公司的超导量子系统已经准备好引领这三个领域。

对于规模，IBM通过系统中的量子比特数量来衡量进展。IBM去年发布了具有65个量子比特的蜂鸟，并有望在今年交付具有127个量子比特的鹰，这要归功于扩展技术的不断创新。在质量方面，IBM使用之前定义的量子体积，并在今天向用户提供多个带有QV128的系统。速度是一个经常被讨论的属性，对应用工作负载有实际的影响，但是一个适当的、与系统无关的衡量标准还没有出现，它可以捕捉到电路执行的硬件和软件之间的全部依赖关系。

衡量量子计算性能的三个关键指标: 规模、质量、速度

CLOPS为量子计算带来实用性

随着量子计算的发展以及量子计算已经开始解决实际问题，IBM更加关注量子计算系统在既定单位时间内能做多少工作。IBM预计真实的工作负载会涉及到量子-经典的互动-一个完整的程序会调用量子处理器作为某些任务的加速器，或者一个算法需要多次调用量子处理器。因此，允许有效的量子-经典通信的运行时系统将是实现高性能的关键。IBM在CLOPS基准的建议中嵌入了这种运行时的互动。

CLOPS指标

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，该指标衡量的是处理器执行参数化模型电路层的速度，与衡量量子体积的速度相同。

“提高量子处理器的速度对于支持基于变分法的近期算法至关重要，因为变分法需要成千上万次的迭代。改进的量子比特门时间能够极大地扩展当前量子系统的范围，并使我们更接近于超越经典计算硬件。”-Pranav Gokhale，Super.tech创始人兼CEO。

运行时架构和编译阶段。显示了一个量子体积基准的电路模式，以及它的离线编译。每秒电路层操作基准中的电路参数在运行时被更新，使得该指标严重依赖于运行时架构和运行时编译。

量子电路是量子计算机的基本计算单位，很像经典计算的逻辑电路。该基准要求执行该模型电路的许多实例，并在运行时产生不同的参数。这个硬件-软件堆栈的各个部分对CLOPS有贡献，包括量子处理器的重复率、门的运行速度、运行时的编译、生成经典控制指令的时间，最后是所有单元之间的数据传输率。

提供最高性能的量子计算系统需要完全重新思考管理如何运行量子计算程序的架构，因此，IBM推出了Qiskit Runtime。

Qiskit Runtime是一个可移植的、安全的、容器化的架构，在一个与量子处理器紧密结合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--并处理作业协调和数据传输到量子处理单元，使效率最大化。

IBM每秒运行1400个电路层操作

今天，IBM最快的系统可以每秒运行1400个电路层操作。虽然IBM的系统已经受益于今年在Qiskit Runtime上取得的运行时架构的进步，但使用该基准的初步计时测量也发现了几个新的速度瓶颈。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，而运行时架构的进一步进步将减少数据加载的初始化时间，并改进运行时编译。

超导量子比特是自然选择

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，并且相信超导量子比特系统提供了推动量子计算普及的最佳机会。其他量子架构可以在规模、质量和速度等一些属性上实现高性能，但不是全部。例如，受困离子已经显示出实现高量子量的能力，但在解决速度问题时面临挑战，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。

IBM预计，当涉及到继续实现可扩展性、质量和速度方面的性能提升时，超导量子比特为所有三个方面的持续增长提供了最多的机会。

事实上，速度的好处在真实的科学演示中已经得到了体现。早在2017年，IBM为氢化锂分子建模的工作需要运行48亿个量子电路，在以前的商业堆栈上需要几个月到几年的时间。但现在，通过Qiskit Runtime和其他改进，可以将这种计算速度提高120倍。

如果希望加快量子计算机的应用，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坚持不懈地改进。

01 IBM致力于实现扩展路线图，猎鹰（27）、蜂鸟（65）和即将到来的鹰（127）证明了这一点。

02 质量方面，IBM正在积极推动核心研究，改善超导量子比特的基础相干性和门控误差。

03 IBM现在已经引入了CLOPS来完善这个三合一的性能指标。

IBM相信，通过对超导量子比特架构的选择和Qiskit Runtime的引入，随着继续执行IBM的发展路线图，将在不久的将来看到更大的性能提升。