Столько же объема

Квантовый объем — это показатель, который измеряет возможности и частоту ошибок квантового компьютера . Он выражает максимальный размер квадратных квантовых схем , которые могут быть успешно реализованы на компьютере. Форма схем не зависит от архитектуры квантового компьютера, но компилятор может преобразовать и оптимизировать ее, чтобы воспользоваться преимуществами возможностей компьютера. Таким образом можно сравнивать квантовые объёмы для разных архитектур.

Текущий мировой рекорд по наибольшему квантовому объему по состоянию на апрель 2024 года. ^[update] 2 ²⁰, достигнутый квантовым компьютером Quantinuum H1-1 с 20-кубитной ионной ловушкой . ^[1]

Введение [ править ]

Квантовые компьютеры сложно сравнивать. Квантовый объем — это отдельное число, предназначенное для отображения всех показателей производительности. Это измерение, а не расчет, и оно учитывает несколько особенностей квантового компьютера, начиная с количества кубитов — другими используемыми мерами являются ошибки затвора и измерения, перекрестные помехи и связность. ^[2]^[3]^[4]

IBM определила свою метрику Quantum Volume ^[5] потому что количество транзисторов классического компьютера и количество квантовых битов квантового компьютера не одно и то же. Кубиты декогерируются, что приводит к потере производительности, поэтому несколько отказоустойчивых битов более ценны в качестве показателя производительности, чем большее количество шумных, подверженных ошибкам кубитов. ^[6]^[7]

Как правило, чем больше квантовый объем, тем более сложные задачи может решить квантовый компьютер. ^[8]

альтернативные тесты, такие как кросс-энтропийный тест и алгоритмические кубиты IonQ Также были предложены .

Определение [ править ]

Исходное определение [ править ]

Квантовый объем квантового компьютера был первоначально определен в 2018 году Николаем Моллом и др. ^[9] Однако примерно с 2021 года это определение было заменено новым определением IBM 2019 года . ^[10]^[11]Исходное определение зависит от количества кубитов $N,$ а также количества шагов, которые можно выполнить, глубины схемы $d$

{\tilde {V}}_{Q}=\min[N,d(N)]^{2}.

Глубина схемы зависит от эффективной частоты ошибок $ε eff$ как

d\simeq {\frac {1}{N\varepsilon _{\mathrm {eff} }}}.

Эффективная частота ошибок $ε eff$ определяется как средняя частота ошибок двухкубитного вентиля. Если физические двухкубитные вентили не имеют сквозной связи, могут потребоваться дополнительные вентили SWAP для реализации произвольного двухкубитного вентиля и $ε eff > ε$ , где $ε$ — частота ошибок физических двухкубитных вентилей. . Если доступны более сложные аппаратные вентили, такие как трехкубитный вентиль Тоффоли , возможно, что $ε eff < ε$ .

Допустимая глубина схемы уменьшается при добавлении большего количества кубитов с той же эффективной частотой ошибок. Итак, согласно этим определениям, как только $d (N) < N$ , квантовый объем уменьшается, если добавляется больше кубитов. Чтобы запустить алгоритм, которому требуется только $n < N$ кубитов, на $машине с N$ -кубитами может быть полезно выбрать подмножество кубитов с хорошей связностью. В этом случае Молл и др. ^[9] дать уточненное определение квантового объема.

V_{Q}=\max _{n<N}\left\{\min \left[n,{\frac {1}{n\varepsilon _{\mathrm {eff} }(n)}}\right]^{2}\right\},

где максимум берется при произвольном выборе $n$ кубитов.

IBM определение Новое

В 2019 году исследователи IBM изменили определение квантового объема, сделав его экспоненциальным от размера схемы, заявив, что оно соответствует сложности моделирования схемы на классическом компьютере: ^[5]^[12]

\log _{2}V_{Q}={\underset {n\leq N}{\operatorname {arg\,max} }}\left\{\min \left[n,d(n)\right]\right\}

История достижений [ править ]

Дата	Квантовый объем ^[а]	Кубит считать	Производитель	Имя системы и ссылка
2020, январь	2 ⁵	28	ИБМ	"Роли" ^[13]
2020, июнь	2 ⁶	6	Ханивелл	^[14]
2020, август	2 ⁶	27	ИБМ	Фалькон Р4 "Монреаль" ^[15]
2020, ноябрь	2 ⁷	10	Ханивелл	«Модель системы H1» ^[16]
2020, декабрь	2 ⁷	27	ИБМ	Фалькон Р4 "Монреаль" ^[17]
2021, март	2 ⁹	10	Ханивелл	«Модель системы H1» ^[18]
2021, июль	2 ¹⁰	10	Ханивелл	«Ханивелл Система H1» ^[19]
2021, декабрь	2 ¹¹	12	Сколько (ранее Honeywell)	«Модель квантовой системы H1-2» ^[20]
2022, апрель	2 ⁸	27	ИБМ	Сокол Р10 «Прага» ^[21]
2022, апрель	2 ¹²	12	Сколько	«Модель квантовой системы H1-2» ^[22]
2022, май	2 ⁹	27	ИБМ	Сокол Р10 «Прага» ^[23]
2022, сентябрь	2 ¹³	20	Сколько	«Модель квантовой системы H1-1» ^[24]
2023, февраль	2 ⁷	24	Альпийские квантовые технологии	«Компактный демонстратор квантовых вычислений с ионной ловушкой» ^[25]
2023, февраль	2 ¹⁵	20	Сколько	«Модель квантовой системы H1-1» ^[26]
2023, май	2 ¹⁶	32	Сколько	«Модель квантовой системы H2» ^[27]
2023, июнь	2 ¹⁹	20	Сколько	«Модель квантовой системы H1-1» ^[28]
2024, февраль	2 ⁵	20	ИКМ	«20-кубитная система IQM» ^[29]
2024, апрель	2 ²⁰	20	Сколько	«Модель квантовой системы H1-1» ^[1]

Объемные ориентиры [ править ]

Тест квантового объема определяет семейство квадратных схем, у которых количество кубитов $N$ и глубина $d$ одинаковы. Таким образом, результат этого теста представляет собой одно число. Однако предлагаемое обобщение является эталоном объема. ^[30] Фреймворк, который определяет семейство прямоугольных квантовых схем, для которых $N$ и $d$ не связаны, чтобы обеспечить возможность изучения компромисса производительности во времени и пространстве, тем самым жертвуя простотой однозначного теста.

Объемные тесты можно обобщить не только для учета несвязанных $измерений N$ и $d$ , но и для тестирования различных типов квантовых схем. Хотя квантовый объем определяет способность квантового компьютера реализовать определенный тип рандомизированных схем , в принципе они могут быть заменены другими семействами случайных схем, периодическими схемами, ^[31] или схемы, основанные на алгоритмах. Каждый тест должен иметь критерий успеха, который определяет, «прошел» ли процессор данную тестовую схему.

Хотя эти данные можно анализировать разными способами, простой метод визуализации иллюстрирует фронт Парето в $сравнении N$ и $d$ для тестируемого процессора. Этот фронт Парето предоставляет информацию о наибольшей глубине $d,$ которую может выдержать патч с заданным количеством кубитов $N$ , или, альтернативно, о самом большом патче из $N$ кубитов, который может выдержать выполнение схемы заданной глубины $d$ .

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

^ Согласно § переопределению IBM

Ссылки [ править ]

↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б «Quantinuum расширяет свое лидерство в области квантовых вычислений, достигая исторических вех в обеспечении точности аппаратного обеспечения и квантового объема» . www.quantinuum.com . Проверено 17 апреля 2024 г.
^ «Компания Honeywell утверждает, что создала самый производительный из существующих квантовых компьютеров» . физ.орг . Проверено 22 июня 2020 г.
^ Смит-Гудсон, Пол. «Квантовый объем: критерий измерения производительности квантовых компьютеров» . Форбс . Проверено 22 июня 2020 г.
^ «Измерение квантового объема» . Qiskit.org . Проверено 21 августа 2020 г.
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Кросс, Эндрю В.; епископ Лев С.; Шелдон, Сара; Нация, Пол Д.; Гамбетта, Джей М. (2019). «Проверка квантовых компьютеров с использованием схем рандомизированной модели» . Физ. Преподобный А. 100 (3): 032328. arXiv : 1811.12926 . Бибкод : 2019PhRvA.100c2328C . дои : 10.1103/PhysRevA.100.032328 . S2CID 119408990 . Проверено 2 октября 2020 г.
^ Мандельбаум, Райан Ф. (20 августа 2020 г.). «Что такое квантовый объем?» . Средний кискит . Проверено 21 августа 2020 г.
^ Сандерс, Джеймс (12 августа 2019 г.). «Почему квантовый объем жизненно важен для построения пути к квантовому преимуществу» . Техреспублика . Проверено 22 августа 2020 г.
^ Пэтти, Ли (2020). «Квантовый объем: мощь квантовых компьютеров» . www.honeywell.com . Главный научный сотрудник Honeywell Quantum Solutions . Проверено 21 августа 2020 г.
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Молл, Николай; Баркуцос, Панайотис; епископ Лев С; Чоу, Джерри М; Кросс, Эндрю; Эггер, Дэниел Дж; Филипп, Стефан; Фюрер Андреас; Гамбетта, Джей М; Ганцхорн, Марк; Кандала, Абхинав; Меццакапо, Антонио; Мюллер, Питер; Риссве представил Уолтера; Салис, Джиан; Смолин, Джон; Тавернелли, Ивано; Темме, Кристан (2018). «Квантовая оптимизация с использованием вариационных алгоритмов на квантовых устройствах ближайшего будущего» . Квантовая наука и технология . 3 (3): 030503. arXiv : 1710.01022 . Бибкод : 2018QS&T....3c0503M . дои : 10.1088/2058-9565/aab822 .
^ Болдуин, Чарльз; Майер, Карл (2022). «Пересмотр теста квантового объема: идеальные распределения, оптимизация компилятора, доверительные интервалы и масштабируемые оценки ресурсов». Квантовый . 6 : 707. arXiv : 2110.14808 . Бибкод : 2022Quant...6..707B . doi : 10.22331/q-2022-05-09-707 . S2CID 240070758 .
^ Миллер, Кейт (14 июля 2022 г.). «Улучшенная объемная метрика для квантовых компьютеров за счет более репрезентативных форм квантовых цепей». arXiv : 2207.02315 [ квант-ph ].
^ https://pennylane.ai/qml/demos/quantum_volume.html ( в архиве )
^ «IBM снова удваивает мощность квантовых вычислений» . Форбс . 08.01.2020.
^ Сэмюэл К. Мур (24 июня 2020 г.). «Honeywell утверждает, что у нее самый мощный квантовый компьютер» . IEEE-спектр .
^ Кондон, Стефани (20 августа 2020 г.). «IBM достигла новой вехи в области квантовых вычислений» . ЗДНет . Проверено 21 августа 2020 г.
^ Сэмюэл К. Мур (10 ноября 2020 г.). «Быстрое расширение коммерческих квантовых компьютеров с ионными ловушками» . IEEE-спектр .
^ Гамбетта, Джей [@jaygambetta] (3 декабря 2020 г.). «В той же системе (IBM Q System One — Монреаль), в которой мы достигли квантового объема 64, команда недавно достигла квантового объема 128. Прогресс в этом году в качестве квантовых схем был потрясающим. https://t. co/pBYmLkmSoS» ( твит ). Архивировано из оригинала 21 октября 2022 г. Проверено 4 декабря 2022 г. - через Twitter .
^ Лепренс-Ренге, Дафна. «Квантовые вычисления: Honeywell только что увеличила мощность своего компьютера в четыре раза» . ЗДНет . Проверено 11 марта 2021 г.
^ «Honeywell и Cambridge Quantum достигают новых вех» . www.honeywell.com . Проверено 23 июля 2021 г.
^ «Демонстрация преимуществ стратегии квантового обновляемого проектирования: модель системы H1-2 первой продемонстрировала квантовый объем 2048» . www.quantinuum.com . Проверено 4 января 2022 г.
^ «Увеличение квантовой производительности за счет нашего самого высокого квантового объема» . Блог исследований IBM . 6 апреля 2022 г.
^ «Quantinuum объявляет о достижении Quantum Volume 4096» . www.quantinuum.com . Проверено 14 апреля 2022 г.
^ Гамбетта, Джей [@jaygambetta] (25 мая 2022 г.). «Небольшое обновление от команды IBM Quantum. Достигнуто QV 512😀. Наша новая архитектура вентилей (Falcon R10) продолжает обеспечивать более высокую точность и низкий уровень перекрестных помех и, как следствие, лучшее качество схем. Два скачка QV за последние 2 месяца https://t.co/szAKCAD4gA» ( Твит ). Архивировано из оригинала 28 мая 2022 г. Проверено 4 декабря 2022 г. - через Twitter .
^ Смит-Гудсон, Пол (6 октября 2022 г.). «Квантинуум на подъеме: 17 значительных достижений в области квантовых вычислений за 12 месяцев» . Форбс . Архивировано из оригинала 06 октября 2022 г. Проверено 24 февраля 2023 г. {{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
^ Монц, Томас (10 февраля 2023 г.). «Состояние квантовых вычислений в Европе: повышение производительности AQT за счет квантового объема 128» . techmonitor.ai . Проверено 9 мая 2023 г.
^ Моррисон, Райан (23 февраля 2023 г.). «Quantinuum достигает рубежа квантовой производительности» . techmonitor.ai . Проверено 24 февраля 2023 г.
^ Моисей, Ю.А. (9 мая 2023 г.). «Квантовый процессор с захваченными ионами Race-Track». Физический обзор X . 13 (4): 041052. arXiv : 2305.03828 . Бибкод : 2023PhRvX..13d1052M . дои : 10.1103/PhysRevX.13.041052 .
^ Моррисон, Райан (30 июня 2023 г.). «Квантовый компьютер Quantinuum серии H установил еще 3 рекорда производительности для квантового объема» . квантинуум . Проверено 30 июня 2023 г.
^ «Отчеты IQM Quantum о тестах производительности 20-кубитной системы» . www.meetiqm.com . 20 февраля 2024 г. Проверено 20 февраля 2024 г.
^ Блюм-Когоут, Робин; Янг, Кевин С. (15 ноября 2020 г.). «Объемная основа для тестов квантовых компьютеров». Квантовый . 4 : 362. arXiv : 1904.05546 . Бибкод : 2020Количество...4..362B . дои : 10.22331/кв-2020-11-15-362 . ISSN 2521-327X .
^ Проктор, Тимоти; Рюдингер, Кеннет; Янг, Кевин; Нильсен, Эрик; Блюм-Кохут, Робин (20 декабря 2021 г.). «Измерение возможностей квантовых компьютеров». Физика природы . 18 (1). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 75–79. arXiv : 2008.11294 . дои : 10.1038/s41567-021-01409-7 . ISSN 1745-2473 .

[perIBM-13] Согласно § переопределению IBM

[:2-1] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б «Quantinuum расширяет свое лидерство в области квантовых вычислений, достигая исторических вех в обеспечении точности аппаратного обеспечения и квантового объема» . www.quantinuum.com . Проверено 17 апреля 2024 г.

[2] «Компания Honeywell утверждает, что создала самый производительный из существующих квантовых компьютеров» . физ.орг . Проверено 22 июня 2020 г.

[3] Смит-Гудсон, Пол. «Квантовый объем: критерий измерения производительности квантовых компьютеров» . Форбс . Проверено 22 июня 2020 г.

[4] «Измерение квантового объема» . Qiskit.org . Проверено 21 августа 2020 г.

[ibm-5] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Кросс, Эндрю В.; епископ Лев С.; Шелдон, Сара; Нация, Пол Д.; Гамбетта, Джей М. (2019). «Проверка квантовых компьютеров с использованием схем рандомизированной модели» . Физ. Преподобный А. 100 (3): 032328. arXiv : 1811.12926 . Бибкод : 2019PhRvA.100c2328C . дои : 10.1103/PhysRevA.100.032328 . S2CID 119408990 . Проверено 2 октября 2020 г.

[6] Мандельбаум, Райан Ф. (20 августа 2020 г.). «Что такое квантовый объем?» . Средний кискит . Проверено 21 августа 2020 г.

[7] Сандерс, Джеймс (12 августа 2019 г.). «Почему квантовый объем жизненно важен для построения пути к квантовому преимуществу» . Техреспублика . Проверено 22 августа 2020 г.

[8] Пэтти, Ли (2020). «Квантовый объем: мощь квантовых компьютеров» . www.honeywell.com . Главный научный сотрудник Honeywell Quantum Solutions . Проверено 21 августа 2020 г.

[Moll-9] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Молл, Николай; Баркуцос, Панайотис; епископ Лев С; Чоу, Джерри М; Кросс, Эндрю; Эггер, Дэниел Дж; Филипп, Стефан; Фюрер Андреас; Гамбетта, Джей М; Ганцхорн, Марк; Кандала, Абхинав; Меццакапо, Антонио; Мюллер, Питер; Риссве представил Уолтера; Салис, Джиан; Смолин, Джон; Тавернелли, Ивано; Темме, Кристан (2018). «Квантовая оптимизация с использованием вариационных алгоритмов на квантовых устройствах ближайшего будущего» . Квантовая наука и технология . 3 (3): 030503. arXiv : 1710.01022 . Бибкод : 2018QS&T....3c0503M . дои : 10.1088/2058-9565/aab822 .

[10] Болдуин, Чарльз; Майер, Карл (2022). «Пересмотр теста квантового объема: идеальные распределения, оптимизация компилятора, доверительные интервалы и масштабируемые оценки ресурсов». Квантовый . 6 : 707. arXiv : 2110.14808 . Бибкод : 2022Quant...6..707B . doi : 10.22331/q-2022-05-09-707 . S2CID 240070758 .

[11] Миллер, Кейт (14 июля 2022 г.). «Улучшенная объемная метрика для квантовых компьютеров за счет более репрезентативных форм квантовых цепей». arXiv : 2207.02315 [ квант-ph ].

[12] ttps://pennylane.ai/qml/demos/quantum_volume.html ( в архиве )

[Raleigh-14] «IBM снова удваивает мощность квантовых вычислений» . Форбс . 08.01.2020.

[Honeywell64-15] Сэмюэл К. Мур (24 июня 2020 г.). «Honeywell утверждает, что у нее самый мощный квантовый компьютер» . IEEE-спектр .

[IBM64-16] Кондон, Стефани (20 августа 2020 г.). «IBM достигла новой вехи в области квантовых вычислений» . ЗДНет . Проверено 21 августа 2020 г.

[H1-17] Сэмюэл К. Мур (10 ноября 2020 г.). «Быстрое расширение коммерческих квантовых компьютеров с ионными ловушками» . IEEE-спектр .

[18] Гамбетта, Джей [@jaygambetta] (3 декабря 2020 г.). «В той же системе (IBM Q System One — Монреаль), в которой мы достигли квантового объема 64, команда недавно достигла квантового объема 128. Прогресс в этом году в качестве квантовых схем был потрясающим. https://t. co/pBYmLkmSoS» ( твит ). Архивировано из оригинала 21 октября 2022 г. Проверено 4 декабря 2022 г. - через Twitter .

[19] Лепренс-Ренге, Дафна. «Квантовые вычисления: Honeywell только что увеличила мощность своего компьютера в четыре раза» . ЗДНет . Проверено 11 марта 2021 г.

[20] «Honeywell и Cambridge Quantum достигают новых вех» . www.honeywell.com . Проверено 23 июля 2021 г.

[21] «Демонстрация преимуществ стратегии квантового обновляемого проектирования: модель системы H1-2 первой продемонстрировала квантовый объем 2048» . www.quantinuum.com . Проверено 4 января 2022 г.

[22] «Увеличение квантовой производительности за счет нашего самого высокого квантового объема» . Блог исследований IBM . 6 апреля 2022 г.

[23] «Quantinuum объявляет о достижении Quantum Volume 4096» . www.quantinuum.com . Проверено 14 апреля 2022 г.

[24] Гамбетта, Джей [@jaygambetta] (25 мая 2022 г.). «Небольшое обновление от команды IBM Quantum. Достигнуто QV 512😀. Наша новая архитектура вентилей (Falcon R10) продолжает обеспечивать более высокую точность и низкий уровень перекрестных помех и, как следствие, лучшее качество схем. Два скачка QV за последние 2 месяца https://t.co/szAKCAD4gA» ( Твит ). Архивировано из оригинала 28 мая 2022 г. Проверено 4 декабря 2022 г. - через Twitter .

[25] Смит-Гудсон, Пол (6 октября 2022 г.). «Квантинуум на подъеме: 17 значительных достижений в области квантовых вычислений за 12 месяцев» . Форбс . Архивировано из оригинала 06 октября 2022 г. Проверено 24 февраля 2023 г. {{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )

[26] Монц, Томас (10 февраля 2023 г.). «Состояние квантовых вычислений в Европе: повышение производительности AQT за счет квантового объема 128» . techmonitor.ai . Проверено 9 мая 2023 г.

[27] Моррисон, Райан (23 февраля 2023 г.). «Quantinuum достигает рубежа квантовой производительности» . techmonitor.ai . Проверено 24 февраля 2023 г.

[:0-28] Моисей, Ю.А. (9 мая 2023 г.). «Квантовый процессор с захваченными ионами Race-Track». Физический обзор X . 13 (4): 041052. arXiv : 2305.03828 . Бибкод : 2023PhRvX..13d1052M . дои : 10.1103/PhysRevX.13.041052 .

[:1-29] Моррисон, Райан (30 июня 2023 г.). «Квантовый компьютер Quantinuum серии H установил еще 3 рекорда производительности для квантового объема» . квантинуум . Проверено 30 июня 2023 г.

[:16-30] «Отчеты IQM Quantum о тестах производительности 20-кубитной системы» . www.meetiqm.com . 20 февраля 2024 г. Проверено 20 февраля 2024 г.

[volumetric1-31] Блюм-Когоут, Робин; Янг, Кевин С. (15 ноября 2020 г.). «Объемная основа для тестов квантовых компьютеров». Квантовый . 4 : 362. arXiv : 1904.05546 . Бибкод : 2020Количество...4..362B . дои : 10.22331/кв-2020-11-15-362 . ISSN 2521-327X .

[volumetric2-32] Проктор, Тимоти; Рюдингер, Кеннет; Янг, Кевин; Нильсен, Эрик; Блюм-Кохут, Робин (20 декабря 2021 г.). «Измерение возможностей квантовых компьютеров». Физика природы . 18 (1). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 75–79. arXiv : 2008.11294 . дои : 10.1038/s41567-021-01409-7 . ISSN 1745-2473 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[а]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

[31]