IBM提出新量子指标，推动量子计算性能发展

当地时间2021年11月1日，IBM提出了一个度量量子性能的新指标-CLOPS（Circuit Layer Operations Per Second），称之为每秒线路层操作数，即衡量处理器可以执行与用于测量量子体积的相同类型的参数化模型线路层的速度。

IBM表示，在推进量子计算系统的过程中，IBM的指导原则和目标便是增加量子计算的性能。而性能的三个关键属性是：规模、质量和速度。  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（Hummingbird），并有望在今年交付具有127个量子比特的鹰（Eagle）。 

在质量方面，IBM使用之前定义的量子体积（Quantum Volume,QV）来衡量，目前，IBM已经向用户提供多个QV128的量子系统。 

而对于速度而言，其是一个经常被人们所关注和讨论的属性，它对应用程序工作负载有实际影响，但是，一个合适的、与系统无关的衡量标准还没有出现。它可以捕捉到线路执行的跨硬件和软件的全部依赖关系。 

基于此，IBM提出CLOPS（Circuit Layer Operations Per Second），称之为每秒线路层操作数，即衡量处理器可以执行与用于测量量子体积的相同类型的参数化模型线路层的速度。 图1｜衡量量子计算性能的三个关键指标：规模、质量、速度

1. CLOPS为量子计算带来实用性

随着量子计算不断发展并开始解决实际问题，人们必须更加关注量子计算系统在给定的单位时间内可以做多少工作。

真实的工作负载预计会涉及到量子-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将这种运行时交互嵌入到IBM的 CLOPS 基准测试提案中。

2. 关于CLOPS指标  CLOPS 是一个与量子处理器执行线路的速度相关的指标。具体而言，该指标衡量的是处理器执行参数化模型线路层的速度，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使我们能够极大地扩展当前量子系统的范围，并使我们更接近超越经典计算硬件。-Pranav Gokhale，Super.tech创始人兼CEO

运行时架构和编译阶段，显示了QV基准测试的线路模式以及它的离线编译。线路层每秒操作数基准测试中的线路参数在运行时更新，使得该指标严重依赖于运行时架构和运行时编译（来源：IBM） 量子线路是量子计算机的基本计算单元，类似于经典计算的逻辑电路。基准测试需要使用运行时生成的不同参数执行该模型电路的许多实例。

该硬件-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、运行时的编译、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率。 提供最高性能的量子计算系统需要完全重新思考支配如何运行量子计算程序的架构，因此，IBM推出了Qiskit Runtime。 Qiskit Runtime 是一种可移植、安全、容器化的架构，可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。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，处理作业编排和数据传输到量子处理单元，最大限度地提高效率。 

3. IBM每秒运行1400个电路层操作 今天，IBM最快的系统每秒最多可以运行 1,400 次电路层操作。 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，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。 

4. 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，IBM相信其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，离子阱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。 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。 IBM表示，其已经看到速度的好处在真实的科学演示中得到了体现。早在 2017 年，IBM对氢化锂分子进行建模的工作需要在之前的商业堆栈上运行 48 亿个量子线路，需要几个月到几年的时间。但是现在，通过 Qiskit Runtime 和其他改进，可以将计算速度提高 120 倍。 IBM表示，如果加速量子计算机的采用，将需要专注于量子计算机的三个关键性能领域并不断改进： 

·  致力于实现扩展路线图，Falcon (27)、Hummingbird (65) 和 Eagle (127) ；

·  质量方面，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错误；

·  引入了CLOPS 完善三项关键性能指标。

发布日期：2021年11月3日

来源：量子客