Untuk mengevaluasi kinerja komputer super, para ilmuwan komputer beralih ke alat standar: seperangkat algoritma
LINPACK yang membantu memeriksa bagaimana mesin dapat memecahkan masalah dengan sejumlah besar variabel. Tetapi untuk komputer kuantum yang suatu hari akan dapat memecahkan masalah yang tidak dapat diakses oleh komputer biasa, standar seperti itu untuk mengukur kinerja tidak ada.
Salah satu alasannya adalah bahwa komputer, yang harus menggunakan hukum mekanika kuantum untuk mempercepat perhitungan tertentu, masih dalam keadaan belum sempurna, dan berbagai rangkaian perangkat yang memungkinkan dari komputer tersebut saling bersaing. Dalam beberapa dari mereka, bit kuantum, atau qubit yang digunakan untuk perhitungan, terlampir dalam putaran dari urutan "ditangkap" ion, sementara yang lain bergantung pada potongan logam superkonduktor yang beresonansi dalam menanggapi radiasi gelombang mikro. Membandingkan arsitektur yang belum sempurna seperti "seolah-olah kami pergi ke kamar bayi untuk memutuskan bayi mana yang akan menjadi pemain bola basket terkenal," kata Scott Aaronson, seorang spesialis IT di University of Texas di Austin.
Namun, para peneliti sudah melakukan upaya pertama mereka untuk mengukur kecepatan komputer kuantum. Pada Juni 2019, Margaret Martonosi, seorang spesialis IT di Universitas Princeton dan rekan-rekannya, mempresentasikan perbandingan komputer kuantum dari IBM, Rigetti Computing dari Berkeley dan University of Maryland (UMD) di College Park. Mesin UMD yang berjalan pada ion yang terjebak menangani sebagian besar dari 12 algoritma pengujian lebih akurat daripada komputer superkonduktor lainnya, dan tim mengumumkan ini di Phoenix International Computer Architecture Symposium. Christopher Monroe, seorang ahli fisika di UMD dan pendiri IonQ, memperkirakan bahwa perbandingan semacam itu suatu hari akan menjadi standar. "Algoritma mainan ini memberi kita jawaban sederhana - apakah itu berhasil atau tidak?" Namun, bahkan Martonosi memperingatkan bahwa perawatan harus dilakukan dalam tes ini. Analisis ini bahkan menekankan betapa sulitnya membandingkan komputer kuantum, dan sebagai hasilnya, pengembang bebas memilih metrik yang mengekspos mesin mereka dalam cahaya terbaik.
Komputer konvensional bekerja dengan bit informasi yang dikodekan dalam transistor yang dapat dihidupkan dan dimatikan, menunjukkan nol atau satu. Sebuah qubit dapat secara simultan menunjukkan nol dan satu, mengkodekan keadaan dalam ion, putarannya dapat nol, tunggal, atau dapat berada di kedua negara sekaligus. Qubit memungkinkan mesin untuk secara bersamaan memproses larik data yang masuk, alih-alih melakukannya secara berurutan. Tetapi kemampuan sebenarnya dari mesin tidak diwujudkan melalui paralelisme masif ini, tetapi melalui pendekatan untuk masalah yang solusinya dapat dikodekan dalam gelombang kuantum yang memercik di antara para qubit. Gelombang mengganggu sedemikian rupa sehingga keputusan yang salah tenggelam, dan yang tepat melayang.
Komputer kuantum dapat, misalnya, memecahkan sistem enkripsi Internet berdasarkan faktorisasi angka besar - untuk komputer klasik ini adalah tugas yang sangat sulit. Tetapi memecahkan masalah seperti itu akan membutuhkan 100.000 qubit, serta metode untuk memperbaiki kesalahan dalam gelombang kuantum sensitif. Para peneliti mengatakan bahwa mesin seperti itu tidak akan muncul selama beberapa dekade. Namun, komputer kuantum dengan hanya beberapa lusin qubit berisik akan segera dapat bersaing dengan yang biasa dalam tugas tertentu, dan pengembang sudah mencari metrik yang cocok untuk membuktikan ini.
Lompatan kuantum
Rigetti Computing sedang mencari aplikasi yang dapat memberikan keuntungan praktis untuk komputer kuantum berdasarkan chip superkonduktor. Perusahaan lain mempromosikan metrik lain untuk mengukur kemajuan.
Salah satu metrik yang paling umum adalah solusi untuk masalah yang terlalu banyak untuk komputer biasa, atau yang disebut. keunggulan kuantum. "Ini semacam proyek 'Hello world!' Yang menunjukkan kinerja komputer kuantum Anda," kata John Martinis, seorang fisikawan Santa Barbara yang menjalankan proyek Google untuk unggul pada mesin dengan 72 qubit superkonduktor.
Tugas yang dipilih oleh peneliti dari Google sangat abstrak. Bahkan, mereka memprogram komputer kuantum mereka untuk melakukan serangkaian operasi acak yang terus-menerus berulang pada qubit. Karena gangguan kuantum, mesin harus menghasilkan urutan nol tertentu dan yang dengan probabilitas lebih tinggi daripada yang lain. Jika tidak ada gangguan, probabilitas terjadinya keduanya dan urutan lainnya akan sama. Selain itu, memprediksi distribusi hasil kerja yang tepat melampaui kemampuan komputer klasik dengan peningkatan jumlah qubit. Jadi jika peneliti Google dapat mengukur distribusi karakteristik ini untuk mesin mereka dari 72 qubit, itu berarti bahwa mereka telah mencapai keunggulan kuantum dengan menghitung sesuatu yang tidak tersedia untuk komputer biasa. Namun, latihan samar ini tidak akan membuka era komputer kuantum yang praktis berguna, kata Greg Cooperberg, ahli matematika di University of California, Davis. "Ini adalah keunggulan dalam menyelesaikan tugas yang sama sekali tidak berguna."
Para peneliti dari Rigetti, sebaliknya, berusaha menunjukkan bahwa komputer kuantum mereka mampu melakukan tugas-tugas bermanfaat tertentu dengan lebih akurat, lebih cepat, atau lebih murah dari biasanya - mereka menyebut metrik ini keuntungan kuantum. “Kami ingin mencapai properti yang dapat menunjukkan kepada kami jalur terpendek menuju nilai komersial,” kata Chad Rigetti, seorang ahli fisika dan pendiri startup. Sebagai contoh, katanya, komputer kuantum dapat ideal untuk memodelkan interaksi kompleks dari aset keuangan dalam hedge fund.
Pada bulan September 2018, Rigetti menawarkan $ 1 juta kepada pengguna pertama yang berhasil mencapai keunggulan kuantum di komputernya, dapat diakses oleh semua orang. Versi saat ini menggunakan 16 qubit superkonduktor. Karena faktor-faktor seperti biaya termasuk dalam metrik, keunggulan kuantum tidak memiliki definisi yang ketat, kata Aram Harrow, seorang ahli fisika di Massachusetts Institute of Technology. "Tetapi jika mereka sedikit buram, itu bukan masalah besar bagi Ridgetti," kata Harrow.
Para peneliti di IBM telah mengidentifikasi metrik, volume kuantum mereka - mengukur kinerja komputer kuantum tanpa membandingkannya dengan yang konvensional. Ini termasuk memeriksa komputer kuantum pada perhitungan acak, mirip dengan apa yang mereka lakukan di Google. Itu tergantung baik pada jumlah qubit dan pada jumlah siklus komputasi yang dapat ditahan mesin sebelum keadaan kuantumnya hilang.
Menggunakan mesin dengan 20 qubit superkonduktor, para ilmuwan IBM telah mencapai volume kuantum 16 unit, dan berencana untuk menggandakannya setiap tahun, kata Jay Gambetta, seorang ahli fisika di IBM Research Center. Thomas Watson di Yorktown Heights, New York. Dia mengatakan bahwa aplikasi terobosan secara alami akan mengikuti. “Saya pikir itu tidak layak untuk menandai sesuatu seperti superioritas. Kami menyadari hal ini ketika kami bergerak menuju pencapaian yang lebih besar. ”
Dan ada perbandingan langsung, seperti Martonosi. Dalam pengujiannya, mesin ion 5-qubit menyelesaikan semua masalah dengan benar dalam 90% kasus, dibandingkan dengan mesin qubit superkonduktor yang menyelesaikan masalah dalam tidak lebih dari 50% kasus. Perbedaan ini mencerminkan keadaan teknologi saat ini, tetapi bukan potensi mereka, kata Martonosi. Misalnya, dalam mesin superkonduktor, setiap qubit berinteraksi hanya dengan tetangganya, tetapi setiap ion di mesin UMD berinteraksi dengan semua ion lainnya, dan ini memberikan keuntungan. Tetapi mesin yang lebih besar dengan ion tidak lagi memiliki keunggulan ini.
Martonosi mengatakan perbandingan menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam kinerja semua komputer kuantum ketika mereka diprogram untuk perbedaan dalam kebisingan qubit dan konektivitasnya. "Ini bekerja pada berbagai opsi perangkat keras," katanya. "Dan itu sangat keren."
Harrow bertanya-tanya seberapa bermanfaat metrik saat ini dalam jangka panjang. Kesulitan utama dalam komputasi kuantum adalah menemukan teknologi yang dapat menskalakan hingga ribuan qubit, katanya. "Dan metrik ini sangat longgar terkait dengan masalah penskalaan."