IBM近日在其博客發文稱：IBM Quantum團隊在過去一年中沿著其發展路線圖已經取得長足進步。 發展過程中，量子計算性能的提高尤為重要，其中衡量量子計算性能的三個關鍵指標包括規模、品質和速度。 日前，在原有指標的基礎上，IBM提出一種速度測量指標——電路層每秒操作數，也稱CLOPS。以下為部落格全文：

IBM Quantum 團隊在過去一年中取得了巨大的成就。 我們已經沿著我們的發展路線圖取得了長足的進步，並計劃到 2023 年底在 1000 多個系統上實現無摩擦量子計算，我們預計這將是該領域發展的一個轉捩點。

我們推進量子計算系統的指導原則和目標是增加這些系統可以完成的有用工作量——簡而言之，就是量子計算的性能。 性能具有三個關鍵屬性：規模、品質和速度。 要將量子計算機引入組織的計算工作流程需要推動這三個領域的發展。

衡量量子計算性能的三個關鍵指標：規模、品質、速度（圖源：IBM）

對於規模，我們通過系統中的量子比特數來衡量進展。 我們去年發佈了65量子比特的處理器，今年有望交付127量子比特的Eagle處理器，這歸功於擴展技術方面的不斷創新。

就品質而言，我們使用之前定義的量子體積，併為今天的使用者提供帶有128量子體積的多個系統;速度是一個經常被討論的屬性，它對應用程式的工作負載有實際影響。 但一個合適的系統不可知的度量標準尚未出現，它可以捕獲電路執行的硬體和軟體之間的完全依賴關係。

今天，我們想提出一個指標，我們稱之為電路層每秒操作數，或CLOPS。

通過CLOPS提高量子計算實用性

隨著量子計算的發展和開始解決實際問題，我們必須更加關注量子計算系統在給定的時間單位內可以做多少工作。 我們預計實際的工作負載涉及量子與經典的交互——一個完整的程式將調用量子處理器作為某些任務的加速器;一個演算法將需要多次調用量子處理器。 因此，運行時系統允許高效量子經典通信對於實現高性能至關重要。 我們已將這種運行時交互嵌入到CLOPS基準測試提案中。

CLOPS 是一個與量子處理器執行電路的速度相關的指標——具體來說，該指標衡量處理器可以執行用於測量量子體積的相同類型的參數化模型電路層的速度。

提高量子處理器速度對於支援基於變分方法的近期演算法至關重要，因為變分方法需要經歷數千次反覆運算。 改進后的量子位比特門時間使我們能夠極大地擴展當前量子系統的範圍，並使我們離超越經典計算硬體更進一步。

——Pranav Gokhale，Super.tech創始人兼首席執行官

運行時架構和編譯階段。 Quantum Volume 基準測試的電路模式，以及它的離線編譯。 （圖源：IBM）

量子電路是量子計算機的基本計算單元，就像經典計算的邏輯電路。 基準測試需要執行該模型電路的許多實例，並在運行時生成的不同參數。 這個硬體-軟體堆疊的各個部分都對CLOPS有貢獻，包括量子處理器的重複率、門運行的速度、運行時編譯、生成經典控制指令所需的時間，以及所有單元之間的數據傳輸速率。

要實現最高性能的量子計算系統，需要我們完全重新思考管理量子計算程式運行的架構，這就是我們引入Qiskit Runtime的原因。

Qiskit Runtime是一種便攜式、安全、容器化的架構，在與量子處理器緊密集成的經典計算單元上運行量子程式。 同時，Qiskit Runtime允許量子計算機成為任何計算環境的一部分，以加速計算、處理任務編製和數據並傳輸到量子處理單元，最大限度地提高效率。

今天，我們最快的系統每秒可以進行1400次電路層操作。

量子硬體的改進將減少電路延遲時間、連續電路之間的空閒時間;運行時架構的進一步改進將減少數據載入的初始化時間並改進的運行時編譯。

超導量子比特是高性能量子計算的自然選擇

我們的目標是開發實用的量子計算，我們相信我們的超導量子比特系統提供了推動量子計算普及的最佳機會。 其他量子體系架構可以在規模、品質和速度等某些（但不是全部）方面實現高性能。 例如，俘獲離子已經顯示出實現高量子體積的能力，但在解決速度方面面臨挑戰，而自旋量子比特可以實現高速度，但迄今為止在推動品質或規模的能力方面面臨挑戰。

我們預計，當涉及到在可擴展性、品質和速度方面的性能提升時，超導量子比特將為實現這三個方面的持續增長提供最大的機會。

事實上，我們已經在真實的科學演示中看到了速度的好處。 在2017年，我們對氫化鋰分子的建模工作需要運行48億個量子電路，這在我們之前的商業堆棧上需要花費數月到數年的時間。 但是現在，通過 Qiskit Runtime和其他改進，我們可以將計算速度提高 120 倍。

如果我們希望加速量子計算機的應用，我們需要專注於量子計算機可以做的有用工作，我們需要在所有三個關鍵性能領域不斷改進：

·我們致力於實現我們的發展路線圖，Falcon （27）、Hummingbird （65） 和 Eagle （127）證明瞭這一點。

·品質方面，我們正在積極推進核心研究，以改善超導量子比特的基本相幹性和門誤差。

·我們現在引入了CLOPS來完善這三項性能指標。

我們相信，通過我們對超導量子比特架構的選擇和對Qiskit Runtime的引入，隨著我們繼續執行我們的發展路線圖，我們將在不久的將來實現更大的性能提升。