Atos prezentuje rozwiązanie “Q-score”, pierwszą uniwersalną miarę kwantową mającą zastosowanie pośród wszystkich programowalnych procesorów kwantowych. Atos’ Q-score mierzy skuteczność systemu kwantowego w rozwiązywaniu rzeczywistych problemów, z którymi nie mogą sobie poradzić tradycyjne komputery, zamiast pomiaru teoretycznej wydajności. Q-score odzwierciedla podejście Atos w kwestii dostarczania szybkich i konkretnych korzyści z obliczeń kwantowych.
W ciągu ostatnich pięciu lat Atos stał się pionierem we wdrożeniach kwantowych poprzez udział w partnerstwach branżowych i akademickich, finansowanie projektów, a także współpracę z sektorem przemysłowym w celu opracowania use-cases’ów, które mogą zostać przyspieszone przez obliczenia kwantowe.
– Pojawienie się ogromnej liczby technologii przetwarzania oraz technik programistycznych spowodowało, że organizacje chcące zainwestować w obliczenia kwantowe potrzebują wiarygodnych wskaźników, które pomogą im wybrać najbardziej wydajne rozwiązania. Q-score jest niezależną od sprzętu, obiektywną, prostą i wiarygodną miarą, na której można polegać – powiedział Elie Girard, prezes Grupy Atos. – Od czasu uruchomienia Atos Quantum w 2016r., pierwszego programu przemysłowego komputerów kwantowych w Europie, nasz cel pozostał ten sam: chcemy przyspieszyć rozwój zastosowań przemysłowych i badawczych oraz przygotować grunt dla maksymalnej skuteczności kwantowej.
Co mierzy Q-score?
Obecnie liczba kubitów (jednostka kwantowa) jest najczęściej stosowaną wartością przy ocenie wydajności systemu kwantowego. Jednakże kubity są zmienne i bardzo różnią się jakością (m.in. szybkością, stabilnością, łącznością itd.) w zależności od technologii kwantowej (m.in. nadprzewodnictwem, uwięzionymi jonami, silikonem i fotoniką) – to wszystko czyni je niedoskonałym punktem odniesienia. Koncentrując się na umiejętności rozwiązywania dobrze znanych problemów optymalizacji kombinatorycznej, Atos Q-score zapewni ośrodkom badawczym, uniwersytetom, przedsiębiorstwom i liderom technologicznym jasne, wiarygodne, obiektywne i porównywalne wyniki podczas rozwiązywania rzeczywistych problemów optymalizacyjnych.
Q-score mierzy rzeczywistą wydajność procesorów kwantowych podczas rozwiązywania problemu optymalizacyjnych, właściwą dla przewidywanej epoki obliczeń kwantowych (NISQ – Noisy Intermediate Scale Quantum). Aby zapewnić ramy odniesienia do porównywania wyników wydajności i zachowania jednolitości, Q-score opiera się na standardowym problemie optymalizacji kombinatorycznej, takim samym dla wszystkich ocen (problem Max-Cut, podobny do TSP – Travelling Salesman Problem, patrz poniżej). Wynik jest obliczany na podstawie maksymalnej liczby zmiennych w ramach takiego problemu, które technologia kwantowa może zoptymalizować (np.: 23 zmienne = 23 Q-score lub Qs).
Atos będzie corocznie aktualizował listy najpotężniejszych procesorów kwantowych na świecie w oparciu o rozwiązanie Q-score. Pierwszy raport, który ma się ukazać w 2021 roku, będzie zawierał aktualne samooceny dostarczone przez producentów.
Oparty na pakiecie oprogramowania o otwartym dostępie, Q-score jest zbudowany na 3 filarach:
- Zorientowany na aplikacje: Q-score to jedyny system metryczny oparty na dostępnych w najbliższym czasie algorytmach kwantowych, mierzący zdolność systemu kwantowego do rozwiązywania praktycznych problemów operacyjnych;
- Dostępność i prostota użycia: uniwersalne i bezpłatne system Q-score korzysta z neutralnego technologicznie podejścia firmy Atos. Pakiet oprogramowania (włącznie z narzędziami i metodologią) nie wymaga dużej mocy obliczeniowej do uzyskania żądanych wyników;
- Obiektywizm i niezawodność: Atos łączy podejście niezależności od sprzętu i technologii z szeroką wiedzą w zakresie projektowania i optymalizacji algorytmów, zdobytą we współpracy z głównymi klientami branżowymi i liderami technologicznymi w obszarze obliczeń kwantowych. Metodologia zastosowana przy budowie Q-score zostanie opublikowana i przygotowana do oceny.
Bezpłatny zestaw oprogramowania, który umożliwia uruchomienie Q-score na dowolnym procesorze, będzie dostępny w pierwszym kwartale 2021 roku. Atos zachęca wszystkich producentów do uruchamiania Q-score na ich technologii oraz publikacji wyników.
Dzięki zaawansowanym możliwościom symulacji kubitów w Atos Quantum Learning Machine (Atos QLM), potężnym symulatorze kwantowym, Atos jest w stanie obliczyć szacunki Q-score dla różnych platform. Oszacowania te uwzględniają cechy podawane do wiadomości publicznej przez producentów. Wyniki mieszczą się w zakresie ok. 15 Qs, ale postęp jest szybki: z szacunkową średnią Q-score datowaną na rok temu w obszarze 10 Qs i prognozowaną średnią Q-score datowaną na rok od teraz powyżej 20 Qs.
Q-score zweryfikowała Rada Atos Quantum Advisory, grupę międzynarodowych ekspertów, matematyków i fizyków, która zebrała się 4 grudnia 2020 r.
Zrozumienie Q-score za pomocą problemu podróżującego sprzedawcy – Travelling Salesman Problem (TSP)
Obecnie najbardziej obiecującym zastosowaniem obliczeń kwantowych jest rozwiązywanie dużych problemów optymalizacji kombinatorycznej. Przykładami takich problemów są słynny problem TSP i mniej znany, ale równie ważny, problem Max-Cut.
Problem: podróżny musi odwiedzić pewną liczbę miast (N) w ramach podróży służbowej, w której znane są odległości między wszystkimi miastami, a każde miasto należy odwiedzić tylko raz. Jaka jest absolutnie najkrótsza możliwa trasa, aby odwiedził każde miasto dokładnie raz i wrócić do miasta początkowego?
Prosty z wyglądu problem staje się dość złożony, jeśli chodzi o udzielenie ostatecznej, dokładnej odpowiedzi, biorąc pod uwagę rosnącą liczbę zmiennych N (liczba miast). Max-Cut to problem bardziej ogólny, z szerokim zakresem zastosowań, na przykład w optymalizacji płytek elektronicznych lub w pozycjonowaniu anten 5G.
Q-score ocenia zdolność procesora kwantowego do rozwiązywania tych kombinatorycznych problemów.
Q-score, Wydajność Kwantowa i Przewaga Kwantowa
Podczas, gdy mające pojawić się w najbliższej przyszłości (tzw. exascale) najpotężniejsze komputery o wysokiej wydajności (HPC) osiągną wynik Q-score bliski 60, dziś szacujemy (zgodnie z publicznymi danymi), że najlepszą jednostką przetwarzania kwantowego (QPU) daje Q-score wynoszący ok. 15 Qs. W związku z ostatnimi postępami spodziewamy się, że wydajność kwantowa osiągnie Q-score powyżej 20 Q w nadchodzącym roku.
Q-score można mierzyć dla QPU z więcej niż 200 kubitami – dlatego pozostanie doskonałym odniesieniem do metryk do identyfikacji i pomiaru skuteczności kwantowej, definiowanej jako zdolność technologii kwantowych do rozwiązania problemu optymalizacji, którego klasyczne technologie nie są w stanie rozwiązać w tym samym momencie.
Q-score mierzy zdolność procesora kwantowego do rozwiązywania problemów kombinatorycznych.