Metrika Q-skóre měří a porovnává výkon kvantových systémů

Q-skóre měří efektivitu kvantového systému při řešení úloh z reálného života - ty, které tradiční počítače nedokáží vyřešit - místo pouhého měření teoretického nebo fyzického výkonu. Jde o první univerzální způsob měření výkonu kvantových systémů použitelný u všech programovatelných kvantových procesorů.

"Podniky a organizace, které uvažují o investicích do kvantových výpočetních systémů, se musí zorientovat v nabídce značného množství různých procesorových technologií a přístupů k programování. Potřebují tedy spolehlivý nástroj, který jim pomůže zvolit optimální cestu. Q-skóre je nezávislé na typu hardwaru a nabízí objektivní, jednoduché a spravedlivé měřítko, na něž se lze spolehnout. Od roku 2016, kdy jsme spustili Atos Quantum, první evropský program průmyslového využití kvantových počítačů, se náš cíl nemění - podporovat rozvoj průmyslových a výzkumných aplikací a dláždit cestu ke kvantové převaze," říká Élie Girard, generální ředitel společnosti Atos.

Co Q-skóre měří

Dnes se nejčastěji výkon kvantového systému uvádí v kvantových bitech neboli qubitech. Kvantové bity jsou však volatilní a značně se liší kvalitou (rychlostí, stabilitou, konektivitou atd.) u jednotlivých kvantových technologií (jako jsou supravodivé, iontové, křemíkové, fotonické) a nemají proto ideální vypovídací hodnotu pro účely porovnání výkonu.

Oproti tomu se Q-skóre zaměřuje na schopnost řešit známé problémy kombinatorické optimalizace. Výzkumná centra, univerzity, podniky a technologické firmy tak získávají jednoznačné, spolehlivé, objektivní a srovnatelné výsledky při řešení problémů s optimalizací v reálném světě.

Q-skóre měří skutečný výkon kvantových procesorů při řešení optimalizačního problému, jaký je příznačný pro současnou éru kvantových počítačů označovaných jako NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum).

Kvůli objektivnímu porovnání výkonu a zachování jednotnosti měření využívá Q-skóre ve všech případech standardní problém kombinatorické optimalizace (tzv. problém maximálního řezu, podobný známému problému obchodního cestujícího, viz níže).

Skóre se stanovuje z maximálního počtu proměnných v takovém problému, jaké dokáže kvantová technologie optimalizovat.

Společnost Atos plánuje každoročně zveřejňovat seznam nejvýkonnějších kvantových procesorů na světě na základě Q-skóre.

První žebříček vyjde v roce 2021 a bude obsahovat aktuální výsledky měření, které provedou sami výrobci.

Q-skóre je založené na volně dostupném softwarovém balíčku a celý koncept je postavený na 3 pilířích.

Tři pilíře Q-skóre:

Otevřenost a snadnost použití - Q-skóre je univerzální a bezplatné a těží z technologicky neutrálního přístupu společnosti Atos. Celý softwarový balík, včetně nástrojů a metodiky, nepotřebuje k měření výkonné výpočetní prostředky

Zaměření na reálnou aplikaci - Q-skóre je jediný způsob měření založený na algoritmech současné éry kvantových systémů, který měří schopnost kvantových počítačů řešit praktické problémy

Objektivita a spolehlivost - Atos využívá přístup nezávislý na konkrétním hardwaru a technologiích společně se svými rozsáhlými znalostmi návrhu algoritmů a optimalizace, které získala při spolupráci s předními dodavateli i uživateli kvantové techniky, metodika stanovení Q-skóre bude veřejně dostupná a otevřená analýze

Bezplatná sada softwaru umožňující spustit Q-skóre na libovolném procesoru bude k dispozici v prvním čtvrtletí roku 2021. Společnost Atos vyzývá všechny výrobce, aby na svých technologiích změřili Q-skóre a zveřejnili výsledky.

Díky pokročilým schopnostem svého vysoce výkonného kvantového simulátoru Atos Quantum Learning Machine (Atos QLM) dokáže společnost Atos odhadnout Q-skóre různých platforem. Tyto odhady zohledňují charakteristiky zveřejněné jejich výrobci.

Výsledky se pohybují okolo Q-skóre 15 Qs, ale pokrok je rapidní. Před rokem bylo průměrné Q-skóre odhadováno zhruba na 10 Qs a za další rok by mohlo překročit 20 Qs.

Q-skóre posoudila mezinárodní skupina odborných poradců Atos Quantum Advisory Board složená z předních technických expertů, matematiků a fyziků, která se sešla 4. 12. 2020.

Vysvětlení Q-skóre na problému obchodního cestujícího

Dnes se jako nejslibnější jeví využití kvantových počítačů při řešení rozsáhlých problémů kombinatorické optimalizace. Příkladem jsou známé úlohy jako problém obchodního cestujícího nebo méně proslavený, avšak neméně důležitý problém maximálního řezu.

Popis problému = cestující musí navštívit N měst, jejichž vzájemné vzdálenosti jsou známé, přičemž každé město má navštívit pouze jednou. Jaká je nejkratší možná trasa, při níž cestující navštíví každé město právě jednou a vrátí se do výchozího bodu?

Jakkoli se úloha zdá na první pohled jednoduchá, je nalezení jednoznačné nezpochybnitelné odpovědi při stoupajícím počtu proměnných N (měst) poměrně náročné.

Problém maximálního řezu je obecnější a narazit na něj můžeme v mnoha oblastech, například při optimalizaci desek plošných spojů v elektronice nebo rozmístění vysílačů 5G.

Q-skóre posuzuje schopnost kvantového procesoru tyto kombinatorické problémy vyřešit.

Q-skóre, kvantový výkon a kvantová převaha

Dnešní nejvýkonnější klastrové výpočetní systémy (HPC - High Performance Computing) by dosáhly Q-skóre téměř 60 Qs, přičemž nejlepší kvantové výpočetní systémy podle veřejně dostupných údajů dosahují Q-skóre okolo 15 Qs. Vzhledem k pokrokům z poslední doby očekáváme, že kvantový výkon v nadcházejícím roce přesáhne Q-skóre 20 Qs.

Q-skóre lze stanovit u kvantových procesorů i s více než 200 qubity. Zůstane proto ideální veličinou k měření kvantového výkonu a stanovení kvantové převahy definované jako schopnost kvantových technologií vyřešit optimalizační problém, který soudobé klasické technologie vyřešit nedokáží.

Jak je uvedeno výše, Atos odhaduje, že kvantové převahy bude v kontextu optimalizačních problémů dosaženo nad hodnotou 60 Qs.

Atos podporuje rozvoj průmyslového využití kvantových počítačů

Rok 2020 představuje bod zlomu ve vývoji kvantových počítačů, kdy nacházíme první praktické problémy nebo oblasti využití, kde nelze uplatnit klasické technologie, ale kde by mohly pomoci právě kvantové systémy.

Stejně jako u jiných disruptivních technologií představuje v tomto případě nalezení konkrétního uplatnění významný krok k přesvědčení potenciálních uživatelů, zavádění nové techniky a jejímu úspěchu.

Atos zúročuje své jedinečné zkušenosti s vývojem algoritmů a schopnosti simulátoru QLM při koordinaci evropského projektu Next ApplicationS of Quantum Computing (NEASQC). Jedná se o jeden z nejambicióznějších projektů zaměřených na využití současné kvantové techniky a demonstraci její převahy.

Na projektu NEASQC se podílí akademické instituce a průmyslové podniky motivované vidinou urychlení svých důležitých procesů pomocí kvantových počítačů.

K tomu v roce 2023 dále přispěje uvedení prvního akcelerátoru Atos NISQ, který bude integrovat qubity do klastrových výpočetních systémů.

Průmysloví partneři projektu NEASQC uvádí několik příkladů z praxe, kde mohou být kvantové počítače výrazným přínosem.

Příklady využití kvantových počítačů:

Zachytávání oxidu uhličitého podle společnosti Total - studiem zachytávání CO2 získávají vědci informace o interakcích mezi molekulami a mohou lépe porozumět, simulovat a optimalizovat absorpci

Kvantová metoda Monte Carlo podle HSBC - vývoj efektivních algoritmů, které mohou u současných kvantových počítačů buď nahradit nebo redefinovat metody Monte Carlo a výrazně tak zvýšit efektivitu stanovení cen derivátů nebo modelů řízení rizik

Kvantový systém pravidel podle CESGA - vybudování kvantového systému, který řeší specifický problém s velkým množstvím dat a pravidel při diagnostice a léčbě určitého typu rakoviny prsu

Chytré dobíjení baterií podle EDF - optimalizace napájení elektrických vozidel u rychlodobíjecích stanic s cílem předcházet frontám a šetřit čas a peníze, pro velké flotily