DAOrayaki |关于量子计算机、算法和应用程序的量子能力标签的建议

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资助地址:  DAOrayaki.eth

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研究种类:Quantum Computing, Quantum Algorithms, Quantum Applications

原文作者:   Jack Krupansky

创作者:hahaho@DAOrayaki.org

审核者:skyh@DAOrayaki.org

原文:  Proposal for a Quantum Capabilities Label for Quantum Computers, Algorithms, and Applications

https://jackkrupansky.medium.com/proposal-for-a-quantum-capabilities-label-for-quantum-computers-algorithms-and-applications-430d3b94c4ca

现今充斥着大量关于量子计算的新闻和浮夸炒作的文章,因此想清楚了解关于某一特定量子计算机的信息,或特定的量子算法(或应用)需要哪些量子计算能力,变成了一件难事。本文提供了一个简化的标签来帮助读者理清这些问题,可以快速了解某特定量子计算机可以运行哪些算法或应用,或运行给定的量子算法或应用程序量子计算机需要哪些能力来运行。

目录:

  1. 摘要
  2. 需求
  3. 目标
  4. 要求透明 - 透明是强制性的
  5. 本文未涉及内容
  6. 能力和指标
  7. 能力和指标的单位
  8. 量子计算机与量子处理器
  9. 量子计算能力的提议清单
  10. 其他能力和特征
  11. 量子计算机所有细节的操作原理和实施规范
  12. 目前可能不知道的某些能力
  13. 量子计算机标签
  14. 一系列量子计算机模型的组合标签
  15. 缩写的量子计算机标签
  16. #AQ(算法量子比特)
  17. 量子体积(QV)限制为50个量子比特
  18. 提供比单一指标更全面的能力列表
  19. 其他基准
  20. 量子算法或应用的标签的不同之处
  21. 将量子算法和应用的要求以公式和代表值的表格形式呈现出来
  22. 并非所有量子算法和应用都需要量子计算机的全部功能
  23. 未来量子计算机、算法和应用的标签
  24. 量子比特数
  25. 量子纠错(QEC)
  26. 量子位保真度
  27. 量子门保真度
  28. 测量保真度
  29. 量子纠错下的量子比特保真度
  30. 未来的逻辑量子比特
  31. 量子位连接
  32. 量子位拓扑
  33. 相位和概率振幅的细粒度
  34. 相干时间
  35. 最大电路深度与最大电路尺寸--是否有机会实现并行?
  36. 最大电路尺寸与总电路尺寸
  37. 总电路尺寸与最大电路深度的关系--是否有机会实现并行?
  38. 量子傅里叶变换(QFT)的精度
  39. 量子算法和应用的量子优势
  40. 定义元数据以促进量子计算机和量子算法及应用的搜索、排序和匹配
  41. 总字母等级
  42. 标签的图形处理
  43. 识别信息--必不可少但超出本文范围
  44. 关于量子计算机、算法和应用的论文的基本细节
  45. 量子计算机、算法和应用的新闻稿的基本细节
  46. 记者撰写关于量子计算机、算法和应用的基本细节
  47. 量子计算能力进展表
  48. 重点是量子计算机硬件,而不是软件
  49. 最初提议
  50. 总结和结论

1.摘要

  1. 读者和评审人需要快速掌握特定量子计算机的能力,或特定量子算法或应用所需的能力。
  2. 要求透明,透明度是强制性的,没有借口。
  3. 我们提出了一系列标签,它是对量子计算能力(主要是性能和容量)的一个简略的总结。
  4. 可以轻松掌握,不需要深入研究。
  5. 适用于量子计算机,量子算法,和量子应用。
  6. 对于量子算法和应用,它列出了所需的量子计算能力。
  7. 完整的细节内容可以在其他地方找到,标签是包括完整细节的一个列表,可以在特定量子计算机的操作原理和实施规范文件中找到,同样,关于量子算法或应用的规范或源代码或发表的论文会给出所需量子计算能力的完整细节。
  8. 选择一小部分基本的细节,本文的重点是确定很小的一组细节,这些细节能让人快速了解特定量子计算机、算法或应用的整体能力。
  9. 是数据库的元数据的理想选择,标签细节的简洁性将使其成为量子计算机、算法和应用的数据库搜索的理想元数据。
  10. 便于比较,标签应该使人们更容易比较和对比两个或多个量子计算机、量子算法或量子应用。
  11. 在量子计算机和算法及应用之间兼容的能力,更容易确定哪些量子计算机将支持给定的量子算法或应用,以及哪些算法和应用被特定的量子计算机所支持。
  12. 标签还应该有唤起人们注意目前没有得到足够重视的能力,如相位和概率振幅的细粒度程度以及缺乏对高精度量子傅里叶变换(QFT)的支持。
  13. 注重量化的细节而不是专注炒作,这个标签还应该起到呼吁关注量子计算机能力的具体量化措施,以及呼吁关注量子算法和应用的硬件要求。这与今天的炒作等混乱的情况不同。
  14. 是一个系列标签,也可以是一个表格,将系列中各个型号的标签结合起来,以便于比较。也可以是一个单一的标签,其范围包括在系列中所有型号的量子计算机中不固定的任何指标。
  15. 也是一个缩写的标签,重要信息的一个简短的子集。
  16. 标签也可以适用于推测的或未来的量子计算机、算法和应用。
  17. 丰富的图形处理,但这超出了本文范围,也超出了我自己的兴趣和能力。
  18. 一般来说,量子算法和应用的标签应该与量子计算机的标签平行,有一些区别。有些能力可能不相关或者没有有用的度量值。
  19. 量子算法和应用的量子优势,与最好的经典解决方案相比,量子方法大致上有什么性能优势。但它不是一种必要的能力。
  20. 识别信息必不可少,但超出了本文的范围。还有一些识别信息需要包含在标签上,但超出了本文的范围。
  21. 关于量子计算机、算法和应用的论文的基本细节。该标签还定义了任何关于量子计算机、算法或应用的论文中应该呈现的基本信息。
  22. 量子计算机、算法和应用的新闻发布的基本细节,该标签还定义了应该在量子计算机、算法或应用的新闻稿中呈现的基本信息。
  23. 记者撰写关于量子计算机、算法和应用的基本细节。该标签还定义了记者在撰写有关量子计算机、算法或应用时应注意的基本信息。
  24. 该标签也可以作为量子计算能力进展表的基础,所列的每项能力都是需要进步的地方。
  25. 重点主要是量子计算机硬件,而不是软件。有很多软件能力值得关注,但超出了本文的范围。

2.需求

量子计算机的用户(或购买的客户),或使用量子算法,开发量子应用程序的程序员(或负责使用量子算法和应用程序的经理)需要了解以下内容:

  1. 量子计算机的能力。可用的资源以及它们提供的功能。
  2. 量子算法或应用程序所需的能力。量子算法所需的量子计算资源和能力。

3.目标

  1. 透明度:一个特定的量子计算机有什么能力,或者一个特定的量子算法或应用需要什么能力。
  2. 实用性:我们如何轻松地知道什么样的算法或应用可以在特定的量子计算机上运行,以及我们如何轻松地确定哪些量子计算机能够支持特定的量子算法或应用。
  3. 便于区分什么样的量子计算机来支持一个特定的量子算法或应用。
  4. 知道特定的量子计算机可以支持什么样的算法或应用。
  5. 定义元数据,以方便量子计算机和量子算法及应用的搜索、排序和匹配。量子计算机的能力和对量子算法和应用的要求,将大大促进量子计算机和量子算法和应用数据库的创建和查询。
  6. 让我们更容易看到量子计算机需要改进的地方。
  7. 便于了解量子计算机硬件的量子算法和应用到底有多大的领先优势。
  8. 量子计算机现有运行的量子算法和应用需要哪些改进。
  9. 提供必要的信息以帮助确定研究重点。
  10. 了解量子计算机、算法和应用与量子计算生产规模的商业化方面的距离。
  11. 获得比使用单一指标更全面的能力描述。
  12. 为有关量子计算机、算法和应用的论文提供基本细节,确保读者快速了解量子计算能力的内容。
  13. 为量子计算机、算法和应用的新闻发布提供必要的细节,确保读者迅速摆脱所有的炒作。
  14. 为记者撰写量子计算机、算法和应用的文章提供必要的细节,确保读者摆脱炒作的影响。
  15. 提供一个能力清单,也可以作为量子计算进展报告的基础。
  16. 帮助人们了解细节而不是炒作的内容。

4.要求透明—透明是强制性的

我们应该对量子计算机、算法和应用的能力的了解保持透明。事实上,量子计算机、算法和应用本身也应该透明。对供应商来说,透明说起来容易,但做到就比较难了。

我们应该:

  1. 期待透明度:透明度是一个合理的默认预期。
  2. 假设透明度:透明度是一件举手之劳的事情。
  3. 等待透明度:可以暂缓购买缺乏足够透明度的产品和服务。
  4. 要求透明度:我们不应该要求透明度,但是......。
  5. 坚持透明度:我们不应该越过礼貌和合理的要求,但是......。
  6. 要求透明度:透明度不应该是可选的,不透明不应该被容忍。
  7. 透明度是强制性的:没有 "如果","并且 "或 "但是",不存在借口。
  8. 没有透明度,就什么都没有!

5.本文未涉及内容

本文涵盖了所有符合量子计算机这一术语的普通解释。更为技术性的是,它涵盖了基于两级量子门的量子计算机。

这不包括:

  1. 具有两级以上的多级量子计算机,本文只涉及两级量子比特。
  2. 量子比特:三级量子比特。
  3. 量子比特:十级量子比特。
  4. 连续可变(continuous-variable)量子模,如光子量子计算机。
  5. 挤压态,比如光子量子计算机。
  6. 基于融合的量子计算(FBQC),主要是光子量子计算机。
  7. 非门控量子计算机,如D-Wave系统的量子退火算法。这些内容相当有趣,但超出了本文范围。
  8. 量子物理学模拟硬件。

并不是说这些系统没有意义,但需求很快就变得不那么单一。其中一些内容可以通过本文的适度扩展来处理(例如,超过两级但仍以量子门为基础),而其他内容则需要更彻底的修改。

无论如何,这个提议涵盖了我认为常见的情况。

6.能力和指标

一般来说,量子计算机的每一种能力都将被表达为一种度量。或者可以说,一个度量衡表达了对一个能力的测量。在本文中,我专注于能力,也就是被度量标准所测量的东西。

在很多情况下,度量标准就是简单的能力。尽管我承认其他人可能更喜欢直接指代度量。

7.能力和指标的单位

一般来说,我不屑于表达某种能力或公制需要什么单位。通常情况下,它是相当明显的,或者是常识性的期望。或者它可以是不同的,比如使用什么时间单位(分、秒、毫秒、微秒、纳秒。)

一般情况是,标签的创建者可以使用他们认为合适的任何单位。如果单位是完全明显的,可以省略,但一般应明确说明。

8.量子计算机与量子处理器

在本文中,除非有明确的区分,否则以下内容基本上都是同义词:

  1. 量子计算机。
  2. 量子计算机系统。
  3. 量子处理器。
  4. 量子处理器单元 。
  5. 量子处理单元。
  6. QPU。

除了一些技术上的区别,但它们大多与本文无关。

而且,对于什么是量子处理单元(QPU)本身与共同构成整个量子计算机系统的所有其他组件的确切界限,也有混淆和含糊之处。

一般来说,本文讨论的大部分能力都与量子处理单元(QPU)本身(原始量子比特及其连接)有关,但也与QPU之外但直接与QPU相连的一些组件有关,例如低温箱之外的经典电子器件,如量子门的执行等。

总之,本文提出的标签既适用于整个量子计算机系统整体,也适用于内部量子处理单元(QPU)本身。

9.量子计算能力的提议清单

这是量子计算机或量子算法或应用所需的所有能力的一个清单:

  1. 量子位技术,超导透镜量子比特、陷落离子、中性原子、硅自旋等。标准化的缩略语会很好。
  2. 量子位计数,最初是物理量子比特计数,但通过量子纠错,它将是逻辑量子比特计数和物理量子比特计数。
  3. 量子纠错(QEC),它被支持吗?是否有特定的方案或支持多种方案?是否有任何参数支持?能否指定或控制物理与逻辑量子比特的比例?
  4. 量子比特的保真度,如果支持纠错,那么基于任何残余错误率的保真度和原始物理量子比特的保真度都是如此。目前,它将仅仅是物理量子比特的保真度。可以分别叫出门控保真度和测量保真度,但量子比特保真度应该是双量子比特门控保真度和测量保真度中较小的一个。
  5. 量子位连接性,最近邻,完全,小于最近邻,优于最近邻,无限或如何限制。标准化的缩略语会很好。
  6. 相位和概率振幅的精细颗粒度,梯度的数量。一般近似为10的幂或2的幂--100、1,000、100万、10亿,或2¹⁰、2²⁰、2³⁰。一般需要量子傅里叶变换(QFT)的精度。
  7. 相干时间,用于物理量子比特。在量子纠错下,逻辑量子比特要么有无限的、不确定的相干性,要么可能对相干时间有一些剩余限制。
  8. 门执行时间和速率,执行一个量子逻辑门的时间,以及每秒钟可以执行多少个门。
  9. 最大电路深度,通常是相干时间除以门执行时间,或者如果相干时间是不确定的,则是一些任意的限制。
  10. 最大电路尺寸,如果门可以并行执行,可以大于最大电路深度。否则,它应该与最大电路深度相同。
  11. 量子体积(QV),还有log2(QV),因为它是可以有效用于重要计算的量子比特的数量。
  12. 基准测试,可以选择除量子体积(QV)之外的任何其他标准化的基准结果--基准名称和度量值。
  13. 量子傅里叶变换(QFT)精度,可以转换多少个量子比特并获得高质量的结果。
  14. 每秒电路执行次数,最短电路的最大速率。包括重置所有量子比特的时间。在一个单一的网络请求内。相当于IBM的每秒电路层操作数(CLOPS)。
  15. 每秒的网络请求,不同的工作和用户。
  16. 运行时支持,任何支持在量子计算机上运行经典应用代码的能力。Qiskit Runtime是一个例子。
  17. 校准消耗,运行校准过程的时间百分比。频率,每次校准运行的时间长度。

是的,会有更多的功能,但标签的设计只显示最重要和最有用的功能--对普通读者而言。

10.其他能力和特征

任何数量的其他能力措施都可以考虑列入量子计算机或量子算法或应用的标签中,但目前的目标是保持列表相对较短和最相关。

一般来说,额外的能力和特征应该在《量子计算机的操作原则》和实施规范文件中找到,或者在量子算法或应用的技术文件中找到,包括任何发表的论文和源代码或GitHub库。

11.量子计算机所有细节的操作原理和实现规范

本文的提议只涵盖了量子计算机总能力的一小部分,足以让人一目了然地了解到能力的大致情况。关于量子计算机总能力的全部细节,请看量子计算机的操作原理文件,它告诉程序员他们需要知道的关于计算机系统的一切,以便为该系统编写代码。通常情况下,整个系列的处理器会有一个文件。

这将不包括处理器的具体细节,如性能和容量。

每个系列的处理器都有一个单独的文件,即实现规范,它告诉程序员他们可能想知道的所有细节,以便为那个特定的处理器编写好代码,如性能和容量,以及处理器系列成员之间可能存在的任何细节。

本文的重点是确定一小部分这样的细节,对特定量子计算机的整体能力有一个适当的认识。

关于量子计算机的操作原理和实现规范的更多讨论,请参阅我的论文:

https://jackkrupansky.medium.com/framework-for-principles-of-operation-for-a-quantum-computer-652ead10bc48

12.目前可能不知道的某些能力

为了具有前瞻性,本建议包括了一些现在或不久的将来无法完全定性的能力。随着时间的推移,这类能力的集合应该缩小并最终完全消失,尽管额外的能力可能偶尔会出现,因此未知能力的集合可能永远不会或很少会完全消失。

一些例子:

  1. 量子纠错(QEC),仍然是一个非常活跃的研究领域。很难有把握地说,衡量标准实际上是什么样子的。
  2. 相位和概率振幅的细粒度,今天不太重要,但随着量子傅里叶变换(QFT)变得更加可行,其重要性将增加--因为需要细粒度的相位和概率振幅。
  3. 量子傅里叶变换(QFT)精度,在支持细粒度相位以实现高精度量子傅里叶变换之前,这一点并不重要。

13.量子计算机标签

量子计算机标签的一些特点:

  1. 多处理器的潜力,一个单一的量子计算机系统有多个处理器,它们可能串联或独立工作,也可能不串联。但这在今天并不存在。
  2. 可能以一个系列中所有处理器的表格形式出现,每个人都可以有一个完全独立的标签,或者把它们连接成一个表。也许两者都可以选择。
  3. 当逻辑量子比特可用且可配置时,以表格形式呈现。列出每个逻辑量子比特可能的配置设置,如果是一个具有大量可能设置的连续值,则列出一个数值样本表。

14.一系列量子计算机模型的组合标签

尽管每一个量子计算机模型都应该有自己的能力标签,但当有一个量子计算机模型系列时,有一个综合的标签也是很有帮助的,而且信息量很大。

这个系列标签可以以两种不同的形式呈现:

  1. 一个表格简单组合系列中各个成员的所有标签,使得比较和对比这些模型变得容易。
  2. 单个合并标签,当它们在所有模型中都是恒定时是离散的度量值。当它们在各模型之间变化时是范围的度量值。

15.缩写的量子计算机标签

在某些情况下,一个更简略的标签可能适合粗略地和一般地描述量子计算机:

  1. 量子比特数:最初是物理量子比特数,但在量子纠错的情况下,它将是逻辑量子比特数和物理量子比特数。
  2. 量子比特保真度:量子位保真度的九的个数。
  3. 量子比特连通性:最近的邻居,完全,小于最近的邻居,优于最近的邻居。
  4. 相位和概率振幅的细粒度:梯度的数量。
  5. 最大电路深度:相干性时间除以门执行时间。
  6. 量子体积(QV),还有log2(QV),它可以有效用于重要计算的量子比特的数量。

也许还有量子比特技术,但一般来说,真正最重要的是功能特性。

16.#AQ(算法量子比特)

IonQ对其量子计算机有自己专有的衡量标准,#AQ代表算法量子位。他们希望看到其他供应商也使用这个指标,但是......我们将看到它的进展情况。

他们确实提供了#AQ的完整定义,但不幸的是,它相当复杂,不容易被简化为一个简单的句子。

实际上,最初,他们确实简单地将其定义为:

  • 粗略地将N的#AQ定义为你能用N个量子比特和N²个双量子比特门成功完成的最大电路的大小。

因此,举例来说,对于#AQ为20,你可以成功执行400(20乘以20)个双量子比特门。但是,他们最近将其复杂化了。

17.量子体积(QV)限制为50个量子比特

在理论上,量子体积(QV)指标被限制在大约50个量子比特,QV为2⁵⁰,因为评估量子体积需要对量子电路做一个完整的经典模拟。

在实践中,这个限制可能远远小于50个量子比特,甚至可能没有32个量子比特,因为即使是高性能、高容量的经典量子模拟器也可能没有足够的能力进行这种高端模拟的重大电路深度。

但是,在实践中,大多数真正的量子计算机没有足够的量子比特保真度来实现评估量子量所需的更深的电路的正确量子结果,所以50甚至32的限制在短期内实际上不是一个问题。

也许三到五年后,这些限制可能会成为问题,并导致量子体积不能成为衡量量子计算质量的实用指标。

届时将会有一个令人满意的量子体积的替代基准。

关于这个问题的更多信息,请参阅我的论文:

https://jackkrupansky.medium.com/why-is-ibms-notion-of-quantum-volume-only-valid-up-to-about-50-qubits-7a780453e32c

18.提供比单一指标更全面的能力列表

曾经有人试图将所有的量子计算简化为一个单一的指标,如量子体积(QV)和算法立方体(#AQ),但这样的方法有很多不足之处。

他们没有为量子算法设计者和量子应用开发者提供足够的信息来有效利用量子计算机。

如果有人想买一台能够运行特定量子算法或应用的量子计算机,单一的指标根本不能告诉他们什么。

量子算法设计者和量子应用开发者需要关注和平衡所有影响他们需求的因素。一个平均数、最佳情况、最坏情况或最小公分母不会告诉他们很多真正能帮助他们的东西。

在某些情况下,一个单一的指标可能会说,没有量子计算机可以运行一个特定的量子算法或应用程序。在其他情况下,单一指标可能对某一特定量子算法或应用的实际要求来说是严重过剩的。

最好的办法是匹配量子计算机、量子算法和量子应用的具体需求。

19.其他基准

总有一天,会有一系列标准化的基准测试,可以在候选的量子计算机上运行,就像今天的量子体积(QV)一样,在量子计算机的标签上报告一些这样的基准测试结果是合适的。

除了量子体积(QV)和算法量子比特(#AQ),可能有任何数量的其他基准测试可以在特定的量子计算机上运行,但我不愿意建议在这个时候将这些基准测试结果添加到量子计算机的标签中。

一些供应商可能有一些首选的基准,他们可能会将其添加到标签上。但总的来说,详细说明任何具体的基准测试--可能的例外是量子体积(QV)--已经超出了拟议的标签和本文的范围。

除非这些基准在大多数量子计算机上相对统一地运行,否则净结果将是一个没有可比性的不同标签的集合。

如果有一天在一些合理的小数量的基准上确实形成了一些共识,那么它们可以被考虑纳入这里。

20.量子算法或应用的标签的不同之处

并非所有量子计算机的能力都会与指定特定量子算法或应用的要求有关。大部分是相同的,但不是所有的。此外,量子算法或应用对量子计算机的使用有一些要求,这些要求并不是量子计算机本身的独特能力。

通常与量子算法或应用无关的一般能力:

  1. 门的执行时间和速率。
  2. 量子量(QV)。
  3. 每秒电路执行次数。
  4. 每秒的网络请求。

一些与量子算法或应用的标签特别相关的要点,与量子计算机无关:

  1. 量子比特技术:希望在理论上,大多数量子算法和应用将与量子比特技术无关。但是,在某些情况下,也许它们可能是依赖性的。
  2. 缩放要求:基于输入数据的大小,能力要求应该以基于输入数据大小的公式来呈现。以及显示代表性输入数据大小样本的能力要求的表格或图表(或两者)。
  3. 射击要求:基于输入数据大小和任何算法输入参数所需的电路重复次数(射击次数或射击)。应该是一个公式,但也可以用一个表格来显示输入数据大小样本的实际射击次数。镜头要求有两个部分:错误率导致的镜头,以及量子计算固有的概率性质导致的镜头。
  4. 一些额外的一般能力可能不相关,例如,量子傅里叶变换(QFT)精度。
  5. 最大电路深度,如果量子门可以并行执行,可以小于最大电路尺寸。否则,它应该与总电路尺寸相同。可能根据输入数据的大小而变化,所以见上面的缩放要求。
  6. 总电路大小,取代最大电路尺寸。算法的电路中量子逻辑门的总计数。如果门可以并行执行,可能大于最大电路深度。否则,它应该与最大电路深度相同。可能根据输入数据的大小而变化,所以见上面的缩放要求。
  7. 量子算法和应用的量子优势,与最好的经典解决方案相比,量子方法的性能优势大致是什么。

有关击球次数或循环重复的更多细节,请参阅我的论文:

https://jackkrupansky.medium.com/shots-and-circuit-repetitions-developing-the-expectation-value-for-results-from-a-quantum-computer-3d1f8eed398

21.将量子算法和应用的要求以公式和代表值的表格形式呈现出来

量子算法或应用的要求与量子计算机的能力的最大区别之一是,它们通常不是固定的常数,而是根据输入数据的大小和任何输入参数值而变化或扩展。

一般来说,最好把这种要求简化为公式,把输入数据大小和输入参数值作为公式的参数,但此外,一般来说,最好以表格形式显示要求,至少为一些有代表性的输入数据大小和输入参数值单独列出一栏,以使普通读者对能力要求有一个更直观和明确的感觉。

简单的量子算法和应用不需要这种额外的复杂性,但我们的目的是尽快支持更复杂和更精密的量子算法和应用。

22.并非所有量子算法和应用都需要量子计算机的全部功能

一些、许多、甚至大多数量子算法和应用可以比典型的量子计算机有更短的标签,因为它们根本不依赖于各种能力,通常是因为算法或应用更简单、更不复杂,或者使用的能力更少。

这将由量子算法设计者或应用开发者来决定需要指定哪些要求。

23.未来量子计算机、算法和应用程序的标签

虽然本文的主要焦点是实际的、当前的、真实的量子计算机、算法和应用,但能力标签的概念也适用于推测的或未来的量子计算机、算法和应用。事实上,我强烈鼓励这样做。

标签应该清楚地标记为推测的或未来的,甚至可能有一个预计的日期,预计它将被引入,可用,或投入使用。

24.量子比特数

量子计数是量子计算机最简单的能力,即有多少个量子比特。

实际上,这并不完全正确--最简单的指定能力是量子比特技术,尽管量子比特技术与量子算法和应用不是特别相关。但是,在仅次于量子比特技术,量子比特数量是最简单的指定能力。

这有一个例外:在支持量子纠错的情况下,我们有两个不同的量子比特数--逻辑量子比特数和物理量子比特数。

25.量子纠错 (QEC)

如果量子计算机支持量子纠错,那么就有两个量子比特数--逻辑量子比特数和物理量子比特数。

我不认为绝对有必要用一个明确的标签来说明支持量子纠错,而只是在给出两个量子比特计数时隐含这一点。

也就是说,如果支持量子纠错涉及到一些参数,也许应该有一个单独的字段,比如说:

  1. 编码方案的选择。编码或校正方案的名称。
  2. 每个逻辑量子比特的物理量子比特数。这要么是一个可以改变的参数,要么是通过物理量子比特的数量除以逻辑量子比特的数量而自动计算出来的。
  3. 编码方案的任何其他参数。有些方案可能有额外的参数。

在任何情况下,由于量子纠错是一个活跃的研究领域,而且还没有任何供应商支持,所以除了物理和逻辑量子比特的数量之外,根本不知道什么信息将真正适合在标签上。

26.量子位保真度

量子比特的保真度是量子计算中一个极其重要的因素。表示量子比特保真度的方法有很多种,但我看到量子比特保真度的九的个数是最简单的,也是最容易让人理解的,九越多越好。

比较常见的量子比特保真度的九的个数的值是:

  1. 低于1个- 低于90%的可靠性。
  2. 1个--90%的可靠性。
  3. 低于1.5个--低于95%的可靠性。
  4. 1.5个 - 95%的可靠性。
  5. 1.75个 - 97.5%。
  6. 1.8个 - 98%。
  7. 1.85个 - 98.5%。
  8. 2个 - 99%。
  9. 2.25个 - 99.25%。
  10. 2.5个- 99.5%。
  11. 2.75个 - 99.75%。
  12. 3个 - 99.9%。
  13. 3.25个 - 99.925%。
  14. 3.5个 - 99.95%。
  15. 3.75个 - 99.975%。
  16. 4个 - 99.99%。
  17. 4.25个 - 99.9925%。
  18. 4.5个 - 99.995%。
  19. 4.75个 - 99.9975%。
  20. 5个 - 99.999%。

至于实际计算的可用性:

  1. 2到2.5个的量子比特的保真度是否足以满足任何应用的需要是个问题。
  2. 2.75个到3个到3.25个的量子比特保真度接近于近乎完美的量子比特,对某些应用来说足够好。
  3. 对于许多应用来说,3.5个可能足够接近近乎完美的量子比特。
  4. 3.75个对许多应用来说将足够接近近乎完美的量子比特。
  5. 4个的量子比特保真度通常将是接近完美的量子比特,足以满足大多数应用。

至少这是我个人的评估。其他人可能有不同的感受。另外,这确实取决于电路的深度--较短的电路可以容忍较低的保真度,而较深的电路则需要较高的保真度来保持总的错误率。

要了解更多关于量子比特保真度9的话题,请参阅我的论文:

https://jackkrupansky.medium.com/nines-of-qubit-fidelity-e6e8680d2bb4

要了解更多近乎完美的量子比特,请参阅我的论文:

https://jackkrupansky.medium.com/what-is-a-near-perfect-qubit-4b1ce65c7908

27.量子门保真度

从技术上讲,很多名义上被称为量子比特保真度的东西实际上是门的保真度--一个量子逻辑门在一个量子比特上,或者更重要的是在两个相互作用的量子比特之间能够可靠地被执行。

我的立场是,门的保真度应该与整个量子比特的保真度混为一谈。

不过,硬件供应商或算法设计者可能希望单独列出门的保真度,以区别于整体组合量子比特的保真度。

28.测量保真度

从技术上讲,名义上被称为量子比特保真度的另一个重要部分实际上是测量保真度--如何可靠地测量一个量子比特。

你会认为测量一个量子比特(有时称为读出)是微不足道的,因为它只是使复杂的量子态坍缩为经典的二进制0或1,但显然它比这更复杂。

最终的结果是,量子比特的测量会引入误差,事实上这些误差可能比执行双量子比特量子逻辑门所引入的任何误差都要糟糕。

硬件供应商或算法设计者可能希望单独叫出测量保真度,区别于整体组合的量子比特保真度。

29.量子纠错下的量子比特保真度

前面的章节假定没有对量子纠错(QEC)的支持。一旦支持量子纠错,那么我们就会得到两组数字:

  1. 物理量子比特的保真度。
  2. 逻辑量子比特的库比特保真度,反映量子纠错后的任何残余或残留的错误率。

理论上说,量子纠错将减轻大多数错误,但即使在最好的量子纠错下,也可能有一些残留的错误或残留的错误率。而这个残余错误率是多少,将取决于任何数量的因素,包括:

  1. 基础量子比特的保真度,物理量子位与近乎完美的量子位有多接近。
  2. 每个逻辑量子比特的物理量子比特的选择。
  3. 编码方案的选择。
  4. 编码方案的其他参数。
  5. 对相干时间的剩余影响。
  6. 剩余的门执行错误率。
  7. 残余的两门执行错误率。
  8. 剩余的量子位测量错误率。

30.未来的逻辑量子比特

目前,我们还没有完全的、自动的、透明的量子纠错(QEC)的感觉。因此,我们没有完美的逻辑量子比特的感觉--我们所拥有的只是原始的物理量子比特。

即使一旦量子纠错出现,它最初也可能是可选的,所以我们将有三个阶段:

  1. 只有物理量子比特。
  2. 逻辑和物理量子比特的混合或选择,一些量子算法或应用可能为了原始容量、原始性能或兼容性而选择坚持使用原始物理量子比特,而其他量子算法或应用可能选择使用完美的逻辑量子比特。
  3. 只有逻辑量子比特,物理量子比特被隐藏。量子算法和应用所看到的都是完美的逻辑量子比特。

31.量子位连接

量子比特的连接是很棘手的。理想情况下,你应该能够在一个双输入门中连接任何两个量子比特,但这并不总是真的。

一般来说,有四种可能性:

  1. 最近邻连接,任何两个物理上相邻的量子比特都可以被连接,如Google Sycamore。
  2. 完全连接,最好的情况,常见于受困离子和中性原子量子比特。
  3. 低于近邻连接,典型的是IBM,因为他们优化了串扰的最小化。
  4. 优于近邻连接,目前我所知道的没有。

可能也有其他的可能性,一般来说,在处理量子比特的连接时,我们从两个门控问题开始:

  1. 是否支持完全连接?如果是,我们就可以开始了。
  2. 我们相对于纯近邻的位置在哪里?假设一个长方形网格有四个连接:上、下、左、右。我们完全是最近邻,小于最近邻,还是比最近邻大一些(但不是全连接)?

而选定的量子比特可以具有与同一量子计算机中其他量子比特不同的明显连接性。一个常见的例子是,量子比特被安排在一个矩形网格中,因此网格边缘的量子比特与网格内部的量子比特具有不同的连接性--有时是三个,有时是两个,而有时只可能是一个连接。

32.量子位拓扑

我并没有为这个标签叫出量子比特拓扑结构(量子比特如何排列和连接)。理论上,应用和算法不应该真正关心量子比特拓扑结构,但最终它确实会影响连接性,而算法确实依赖连接性。但我在这里采取的方法是关注量子比特的保真度和连接性,而不是量子比特拓扑结构。

我并不反对在量子计算机的标签上注明某种量子比特拓扑结构,但我也不赞成它应该是什么样子。硬件供应商可能会选择使用一个量子比特排列和连接的小型图形化地图--如今许多厂商已经这样做。

Qubit拓扑结构对于量子算法的标签来说似乎更没有意义,主要是因为算法的连接性要求将意味着有足够的信息来推断可能需要什么样的拓扑结构。

33.相位和概率振幅的细粒度

与严格意义上的二进制0和1的量子态不同,相位和概率是连续的数值,在0.0和1.0之间的实数(也有负值)。这就引出了一个问题:相位或概率振幅究竟可以代表多少个不同的数值。在理论上,是一个无限的数字,在实践中,通过实际的数字和模拟电路元件实现,不会有无限的值。

对于一个给定的量子计算机或量子算法或应用来说,问题是硬件支持多少个独特的值或值的梯度,或者算法或应用需要多少个值。

一般来说,这将被近似地视为10的幂或2的幂,例如:

  1. 100
  2. 1000
  3. 一百万
  4. 十亿
  5. 一万亿
  6. 十万亿(可能有比这更大的,或接近)
  7. 2¹⁰ 1024.
  8. 2¹⁶ 64K。
  9. 2²⁰ 一百万
  10. 2³⁰ 十亿
  11. 2³² 四十亿,对应一个 32 位整数。
  12. 2⁴⁰ 一万亿
  13. 2⁵⁰ 一千万亿

一个限制因素是DAC(数模转换)硬件,它将数字信号转换为模拟信号。即使是10或12比特的精度也可能是个问题。就目前的硬件而言,20或30或32比特可能是一个上限。

我不知道当前硬件技术的真正极限在哪,更不用说任何特定的量子计算机了。这就是为什么它需要在量子计算机的标签上显示出来。

但对于算法和应用来说,设计者或开发者确实需要充分认识到他们对相位或概率振幅的依赖到底有多细--知道它需要什么硬件。这通常表现在量子傅里叶变换(QFT)的使用上。

实际上,如果有分析工具可以分析量子算法并报告其对相位和概率振幅的细粒度的依赖范围,那将是很有帮助的。

一般来说,当考虑到算法将依赖于相位或概率振幅的极细粒度时,人们需要非常小心。

关于这个话题的更多信息,请参阅我的论文:

https://jackkrupansky.medium.com/beware-of-quantum-algorithms-dependent-on-fine-granularity-of-phase-525bde2642d8

34.相干时间

一个量子比特的量子状态会随着时间的推移而趋于衰减。

相干时间可以相对较短,如100微秒以下,也可以相对较长,如秒、分钟甚至小时。

一般来说,相干时间指的是物理量子比特。

在量子纠错下,逻辑量子比特要么具有无限的、不确定的相干性,要么可能对相干时间有一些剩余的限制。

相干时间有一些非常技术性的东西,如T1、T2和T2*。而且相干性往往会随时间变化。这种细节超出了本文的范围和本文提出的标签。

本文的建议是使用T1、T2和T2*的最小值作为所述的一致性时间,这三个指标也都可以给出。

35.最大电路深度与最大电路尺寸——是否有机会实现并行?

从技术上讲,一个量子电路是一个图形,所以理论上电路的部分可以并行执行,以便在相干时间到期之前,更多的量子逻辑门可以得到执行。

这是理论上的,但我个人还没有看到任何技术文件或技术规范表明,任何量子计算机将执行任何量子电路,比按顺序执行电路的所有门更有效。但这可能会改变。

在任何情况下,量子计算机的标签应该表明门是否可以并行执行,以便总的电路大小可以比最大的电路深度大一些。

36.最大电路尺寸与总电路尺寸

最大电路尺寸和总电路尺寸其实是一回事,只是前者用于量子计算机,表示支持的最大电路,而后者用于量子算法或应用,表示量子电路的实际尺寸。

37.总电路尺寸与最大电路深度——是否有机会实现并行?

从技术上讲,量子电路是一个图形,因此理论上电路的部分可以并行执行,以便在相干时间到期之前可以执行更多的量子逻辑门。

这是理论上的,但我个人还没有看到任何技术文档或技术规范表明任何量子计算机将比按顺序执行电路的所有门更有效地执行任何量子电路。但这可能会改变。

在任何情况下,量子算法的标签都应该表明门是否可以并行执行,以便总电路大小可以略大于最大电路深度。

但是懒惰的作者可能只是将最大电路深度设置为与总电路尺寸相同。

38.量子傅里叶变换 (QFT) 的精度

一些应用,如量子计算化学或Shor子算法需要量子傅里叶变换(QFT)的高级量子并行性。变换的宽度或精度可能是有问题的,关键取决于相位和概率振幅的细粒度。

即使是目前的一些量子计算机也可以进行几个比特的量子傅里叶变换,但由于缺乏相位和概率振幅的细粒度,超过几个比特就超出了目前和近期的量子计算机的能力。

但随着量子硬件的发展,预计将支持更细粒度的相位和概率振幅,使量子计算机可以处理的量子傅里叶变换的精度提高。

鉴于目前的硬件限制,量子傅里叶变换几乎是无用的,因此,这个领域的标签在不久的将来将没有什么用处。

详情见相位和概率振幅的细粒度部分。

39.量子算法和应用的量子优势

追求一个问题的量子解决方案而不是经典解决方案的全部意义在于实现一个戏剧性的性能加速。量子算法或应用的标签中的这一项将总结出这种优势。它将是一个量子算法或应用相对于最佳经典解决方案所提供的性能优势的大致情况。

实际的量子优势一般会根据输入数据的大小而变化。

当使用生产规模的输入数据时,标签上显示的值应该与实际的量子优势相对应。同样,我们的目标是给读者一个合理的期望,即他们可以从量子算法或应用中获得什么。

为了简单起见,标签可以只给出一个简单的整数,近似于生产规模输入的最佳经典解决方案的性能优势。比如100X,1,000X,1,000,000X,甚至是四亿X。

从技术上讲,量子优势应该是一个基于输入数据大小的公式,可能还有输入参数。如果有的话,可以具体说明。否则,对于生产规模的输入,一个简单的数字优势应该就足够。

要了解更多关于量子优势的信息,请参阅我的论文:

https://jackkrupansky.medium.com/what-is-quantum-advantage-and-what-is-quantum-supremacy-3e63d7c18f5b

要了解更多基于实际输入数据的量子优势,请参阅我的论文:

https://jackkrupansky.medium.com/what-is-the-quantum-advantage-of-your-quantum-algorithm-8f481aefe8d0

要了解更多关于量子计算的最终目标——戏剧性的量子优势,请参阅我的论文:

https://jackkrupansky.medium.com/what-is-dramatic-quantum-advantage-e21b5ffce48c

40.定义元数据以促进量子计算机以及量子算法及应用的搜索、排序和匹配

本文定义的量子计算机的能力和对量子算法和应用的要求将极大地促进量子计算机和量子算法和应用数据库的建立和查询。

每个能力或要求都对应于数据库中的一个列。

标准的SQL类型的数据库查询将是一个非常强大的工具来选择和发现量子计算机和量子算法及应用。

这种数据库可能是什么样子的,超出了本文的范围。这里的目标只是为了实现这种解决方案。

41.总字母等级

想为量子计算机或量子算法或应用提供一个总的字母等级当然是很诱人的,但这两者都是多维的,不能用简单的标量来打分。

我也考虑过为个别能力或能力组提供一个字母等级,但即使如此,更常见的情况是,能力不能轻易被简化为一个标量分数。

在许多情况下,分数将是完全主观的。如果一台量子计算机能满足你的需求,这就是最重要的--分数是不相关的。而一个量子算法或应用需要它所需要的东西--它的需要就是它的需要,没有分数是相关的。

最终,唯一相关的分数是一台特定的量子计算机在多大程度上满足了特定量子算法或应用的需求。而它要么满足需求,要么不满足--这是一个二进制测试。

我还没有放弃希望,但目前,总体字母等级的概念是无法实现的--或者是可以实现但无法使用的。

42.标签的图形处理

如果对量子计算机和量子算法及应用的标签进行独特的图形化处理,可能会有好处,但这超出了本文的范围,也超出了我个人的兴趣和能力。

但我欢迎并鼓励其他人来承担这样的任务。

我对图形设计一无所知,但我意识到它需要简洁明了,而不是塞满密集的文字,所以我建议采用两种图形处理:

  1. 全页,所有建议的能力。尽量适度简化文本。
  2. 小型边栏框,一个非常适度的信息子集。一个真正的快速浏览。

使用之前建议的缩写标签:

  1. 量子位计数
  2. 量子位保真度
  3. 量子位连通性
  4. 相位和概率振幅的细粒度,梯度的数量。
  5. 最大电路深度
  6. 量子体积(QV),也许还有log2(QV),因为它是可以有效用于重要计算的量子比特的数量。

这不包括量子比特技术,我认为这在功能上是不需要的,但有些人可能更喜欢它。

43.识别信息——必不可少但超出本文范围

还有一些识别信息需要包含在标签上,但识别的细节超出了本建议的范围。例如:

  1. 供应商名称,整体量子计算机系统供应商和量子处理单元(QPU)供应商,这两者可能不同。
  2. 系列名称,该处理器所属的处理器系列。或者,如果标签是针对整个系列的,而不是系列的某个组成部分。
  3. 模型名称或编号,量子计算机系统的具体型号,在一个系列中。
  4. 配置选项,所选择的任何配置设置,即使是同一基本型号也会导致不同的标签。
  5. 版本,发行,或修订。当量子计算机、算法或应用程序的能力可能因更新而改变时。
  6. 日期,标签上的信息何时被捕获和记录。量子计算机、算法或应用何时首次投入使用--或预计投入使用。可以选择,量子计算机、算法或应用何时停止使用。

44.关于量子计算机、算法和应用的论文的基本细节

该标签还定义了任何关于量子计算机、算法或应用的论文中应该呈现的基本信息。无论是同行评议期刊中的正式学术论文,还是不太正式的白皮书,本文提出的标签中所包含的信息将使读者迅速了解到所涉及的量子计算能力是什么。这篇论文究竟在说什么。

底线是,没有人在阅读或扫描一篇关于量子计算机、算法或应用的论文时,应该被剥夺标签中显示的基本能力列表中的任何详细信息。

45.量子计算机、算法和应用的新闻稿的基本细节

该标签还定义了量子计算机、算法或应用的新闻稿中应呈现的基本信息。

也许在某些情况下,这些信息可能比轻量级的新闻稿更详细,但它至少应该与新闻稿一起包含或链接,以便任何阅读新闻稿的人能够快速查看标签上的功能。

底线是,任何人在浏览量子计算机、算法或应用的新闻稿时,都不应被剥夺标签上显示的基本能力清单。

46.记者撰写有关量子计算机、算法和应用的基本细节

该标签还定义了记者在撰写有关量子计算机、算法或应用时应注意的基本信息。

一个特定的记者是否会对所有这些信息感兴趣或需要写,或者要写多少信息,都会有所不同,但至少他们应该有所有这些信息在他们的指尖上可以选择。

底线是,任何记者在撰写关于量子计算机、算法或应用的文章时,都不应被剥夺标签上显示的基本能力清单。

47.量子计算能力进展表

这个标签也可以作为量子计算能力进展的表基础,列出的每项能力都是需要进展的地方,以及已经取得的进展。

每个领域的进展需要两个指标(能力):

  1. 相对于所需要的东西,我们所处的位置。给人一种需要取得多大进展的感觉。我们是否达到了90%?50%?
  2. 已经取得了哪些改进,是否已经取得了进展?在一些指定的报告期,如每季度、每半年、每年或每半年。也许四种情况都显示出来。

这份表超出了本文的建议范围,但本文提出的能力清单肯定会为这样的成绩单提供一个合理的基础。

48.重点是量子计算机硬件,而不是软件

本文的提议主要侧重于量子计算机的硬件能力。也有很多软件能力,如:

  1. 基础设施软件
  2. 系统管理
  3. 公用事业
  4. 工具
  5. 编译器
  6. 编程语言
  7. 应用程序框架

为软件能力设置一个独特的能力标签确实可能是有意义的,但这远远超出了本文的建议范围。

还有一些甚至超越软件的能力,例如:

  1. 文件
  2. 测试
  3. 培训
  4. 教育材料
  5. 支持
  6. 服务
  7. 可靠性
  8. 维护
  9. 频繁或及时的升级

49.最初提议

作为参考,这里是我对这个题目的最初提议。它可能对一些希望得到本文更简明摘要的人有一些价值。

  • 关于量子计算机和量子算法的好管家标签的建议。快速告诉你所有你需要知道的关于特定量子计算机的能力或特定量子算法所需的能力的基本情况。Qubit技术(超导透子量子比特、陷落离子、中性原子、硅自旋,等等)。Qubit数量。Qubit的保真度(九位数。)Qubit的连通性(最近的邻居,完全,小于最近的邻居,优于最近的邻居。)相位和概率振幅的颗粒度(级数。) 相干时间。门执行时间。最大电路深度。量子体积。量子傅里叶变换(QFT)的Qubits,用于高质量的结果。CLOPS--每秒的电路重复次数。NLOPS--每秒的网络请求。可以单独叫出测量保真度,但量子位保真度应该是双量子位门保真度和测量保真度的较小者。当然,还有很多其他信息需要披露,但这些基本信息应该是前期的一个简短总结。

50.总结和结论

  1. 读者和审稿人需要快速掌握特定量子计算机的能力,或特定量子算法或应用所需的能力。
  2. 要求透明,透明度是强制性的。
  3. 我们提出了一个标签,它是对量子计算能力的一个简略的总结。主要是性能和容量。
  4. 一眼就能轻松掌握,不需要仔细阅读或深入研究。
  5. 同样适用于量子计算机,量子算法,和量子应用。
  6. 对于量子算法和应用,它列出了所需的量子计算能力。但它们通常与量子计算机具有相同的能力。
  7. 完整的细节可在其他地方找到,建议的标签是完整细节的一个列表,可以在特定量子计算机的《操作原理和实施规范》文件中找到,同样,关于量子算法或应用的规范或源代码或发表的论文会给出所需量子计算能力的完整细节。
  8. 选择一小部分基本的细节,本文的重点是确定很小的一组这样的细节,这些细节能让人体面且快速了解特定量子计算机、算法或应用的整体能力或要求。
  9. 是数据库的元数据的理想选择,标签上的细节的简洁性将使其成为量子计算机、算法和应用的数据库搜索的理想元数据。
  10. 便于比较,一套适度的能力应该使人们更容易比较和对比两个或多个量子计算机、量子算法或量子应用。
  11. 谁支持什么,在量子计算机和算法及应用之间使用兼容的能力,应该更容易确定哪些量子计算机将支持特定的量子算法或应用,以及特定的量子计算机支持哪些算法和应用。
  12. 呼吁注意重要的细节,标签还应该具有唤起人们注意目前没有得到足够重视的能力的作用,如相位和概率振幅的细粒度程度以及缺乏对高精度量子傅里叶变换(QFT)的支持。
  13. 注重量化的细节而不是炒作,这个标签还应该起到呼吁关注量子计算机能力的具体量化措施,以及呼吁关注量子算法和应用的硬件要求。与今天的炒作、修辞、挥手和整体混乱形成对比。
  14. 是一个系列标签,可以是一个表格,将系列中各个标签结合起来,以便于比较,也可以是一个单一的标签,其范围包括在系列中所有型号的量子计算机中不固定的任何指标。
  15. 也是一个缩写的标签,最重要的信息的一个简短的子集。
  16. 标签也可以适用于推测的或未来的量子计算机、算法和应用。一个估计的日期将是有帮助的。
  17. 丰富的图形处理,但这超出了本文的范围,也超出了我自己的兴趣和能力。
  18. 一般来说,量子算法和应用的标签将与量子计算机的标签平行,有一些区别。有些能力可能不相关或者没有有用的度量值。
  19. 量子算法和应用的量子优势,与最好的传统解决方案相比,量子方法大致上有什么性能优势。这是一个例外,因为它是一种能力,而不是一种必要的能力。
  20. 识别信息必不可少,但超出了本提案的范围。还有一些识别信息需要包含在标签上,但识别的细节超出了本提案的范围。
  21. 关于量子计算机、算法和应用的论文的基本细节。该标签还定义了任何关于量子计算机、算法或应用的论文中应提交的基本信息。
  22. 量子计算机、算法和应用的新闻发布的基本细节。该标签还定义了应该在量子计算机、算法或应用的新闻稿中呈现的基本信息。
  23. 记者撰写关于量子计算机、算法和应用的基本细节。该标签还定义了记者在撰写有关量子计算机、算法或应用时应注意的基本信息。
  24. 该标签也可以作为量子计算能力进展的报告单的基础。列出的每项能力都是需要进步的地方。
  25. 这里的重点主要是量子计算机硬件,而不是软件。有很多软件能力值得关注,但这已经超出了本文的范围。

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