量子計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)評(píng)技術(shù)進(jìn)展及趨勢(shì)

張萌 賴俊森 張海懿 趙鑫

(中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100191)

0 引言

近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，諸多行業(yè)對(duì)算力的要求與日俱增。電子計(jì)算處理器由于熱耗效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，摩爾定律逼近物理極限，算力性能進(jìn)一步提升面臨挑戰(zhàn)。量子計(jì)算作為新興先進(jìn)計(jì)算的代表技術(shù)，成為未來(lái)先進(jìn)計(jì)算領(lǐng)域破局和實(shí)現(xiàn)算力跨越式發(fā)展的有力候選技術(shù)之一。

量子計(jì)算利用特有的糾纏、疊加物理特性，在計(jì)算方面可實(shí)現(xiàn)“內(nèi)在并行”，具備強(qiáng)大的計(jì)算潛力。量子計(jì)算有望催生改變游戲規(guī)則的顛覆性應(yīng)用，對(duì)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。比如1994年提出的Shor算法[1]可以在多項(xiàng)式復(fù)雜度下實(shí)現(xiàn)大數(shù)分解，有望用于RSA密鑰破解。全球各國(guó)高度重視量子計(jì)算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，紛紛開(kāi)展戰(zhàn)略布局，搶占未來(lái)科技發(fā)展要地。同時(shí)，資本市場(chǎng)也高度關(guān)注量子計(jì)算，根據(jù)PitchBook統(tǒng)計(jì)[2]，2021年全球量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)投融資額高達(dá)69億元人民幣，超過(guò)前3年投資額的總和。

業(yè)界評(píng)估量子計(jì)算發(fā)展與潛在影響通常關(guān)注樣機(jī)技術(shù)成熟度水平以及哪種硬件平臺(tái)更適合更多的潛在應(yīng)用?；鶞?zhǔn)測(cè)評(píng)作為一種客觀的評(píng)價(jià)方式，在計(jì)算機(jī)、人工智能、云計(jì)算等諸多領(lǐng)域的發(fā)展中扮演著重要的角色，也將在量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用探索中起到推動(dòng)作用。基準(zhǔn)測(cè)評(píng)是指通過(guò)設(shè)計(jì)客觀有效的測(cè)試方法、工具和系統(tǒng)，對(duì)特定對(duì)象的功能和性能指標(biāo)進(jìn)行定量和可對(duì)比的測(cè)試。針對(duì)目前已經(jīng)出現(xiàn)的各類型量子計(jì)算原理樣機(jī)和量子計(jì)算云平臺(tái)服務(wù)，開(kāi)展基準(zhǔn)測(cè)評(píng)技術(shù)研究與測(cè)試驗(yàn)證，是促進(jìn)量子計(jì)算樣機(jī)研發(fā)和應(yīng)用推廣的重要推動(dòng)力量。本文調(diào)研綜述量子計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)評(píng)研究發(fā)展現(xiàn)狀，嘗試對(duì)量子計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)評(píng)的體系架構(gòu)進(jìn)行梳理分類，并對(duì)量子計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)試的重要性、面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析展望。

1 國(guó)際布局基本進(jìn)展

2020年10月，由12家歐洲機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起的下一個(gè)量子計(jì)算應(yīng)用(NEASQC)項(xiàng)目旨在針對(duì)中等噪聲規(guī)模量子(NISQ)應(yīng)用程序下定義并提供一個(gè)完整的通用工具集，科學(xué)研究人員及行業(yè)用戶可以使用該工具集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用探索。

2021年，量子科學(xué)計(jì)算開(kāi)放用戶測(cè)試床(QSCOUT) 推出了Testbed 1.0，并計(jì)劃在未來(lái)的3年將系統(tǒng)從3個(gè)量子比特?cái)U(kuò)展到32個(gè)量子比特。由美國(guó)能源部(Department of Emergy， DOE)啟動(dòng)的QSCOUT是一個(gè)為期5年的科研項(xiàng)目，由科學(xué)辦公室高級(jí)科學(xué)計(jì)算研究(Advanced Scientific Computing Research, ASCR)計(jì)劃資助，旨在建立一個(gè)基于捕獲離子的量子測(cè)試床，可供研究社區(qū)使用。作為一個(gè)開(kāi)放平臺(tái)，QSCOUT不僅為所有高級(jí)量子和經(jīng)典過(guò)程的實(shí)現(xiàn)提供完整的規(guī)范和控制，還支持研究人員改變和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)臺(tái)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并測(cè)試更高級(jí)的量子操作實(shí)現(xiàn)。QSCOUT將分階段運(yùn)行，每一階段增加更多的離子量子位、更好的經(jīng)典控制和更高的保真度。第一階段實(shí)現(xiàn)全連接的3個(gè)量子比特，單量子位操作的目標(biāo)保真度為99.5%，雙量子位門(mén)的目標(biāo)保真度為98%。

2021年4月2日，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)宣布推出“量子基準(zhǔn)”(Quantum Benchmarking)項(xiàng)目，旨在明確可測(cè)試的、關(guān)鍵的量子計(jì)算指標(biāo)，用以衡量量子計(jì)算的進(jìn)展，并推動(dòng)當(dāng)前的研究向?qū)崿F(xiàn)特定目標(biāo)的方向發(fā)展。同時(shí)，該項(xiàng)目還將估計(jì)達(dá)到關(guān)鍵性能閾值所需的量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算資源，致力于創(chuàng)建可以指導(dǎo)未來(lái)投資的標(biāo)準(zhǔn)，為準(zhǔn)確衡量在向大型、容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)競(jìng)賽中需要關(guān)注的重要內(nèi)容提供方便。該項(xiàng)目具體包含三大目標(biāo)：一是研究量子計(jì)算關(guān)鍵測(cè)評(píng)指標(biāo)，用來(lái)評(píng)估當(dāng)前技術(shù)實(shí)現(xiàn)與實(shí)際應(yīng)用和量子計(jì)算終極能力之間差距，從數(shù)以百計(jì)的應(yīng)用案例中抽象出數(shù)個(gè)測(cè)評(píng)基準(zhǔn)，并從多個(gè)維度客觀地評(píng)估量子計(jì)算機(jī)的性能與成熟度；二是基于以上測(cè)評(píng)基準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)測(cè)試環(huán)境，并對(duì)量子算法和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證； 三是帶動(dòng)量子計(jì)算前端編譯器、后端編譯器、量子計(jì)算機(jī)硬件、量子存儲(chǔ)等的發(fā)展。

2 量子計(jì)算主要基準(zhǔn)測(cè)評(píng)技術(shù)

目前，量子計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)評(píng)技術(shù)處于開(kāi)放探索的階段，業(yè)界各方提出了一系列基準(zhǔn)測(cè)評(píng)方法。這些基準(zhǔn)測(cè)評(píng)方法針對(duì)不同的測(cè)試目的、測(cè)試對(duì)象和測(cè)試場(chǎng)景。本文將對(duì)近期業(yè)界關(guān)注的量子計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)評(píng)方案技術(shù)進(jìn)行梳理介紹。

2.1 量子比特級(jí)基準(zhǔn)

量子比特是構(gòu)成量子計(jì)算的基本物理單元。量子比特級(jí)別的基準(zhǔn)測(cè)評(píng)直接反映量子計(jì)算機(jī)底層物理硬件的性能優(yōu)劣。量子比特級(jí)別的基準(zhǔn)測(cè)評(píng)指標(biāo)主要包括量子比特?cái)?shù)目、連通性、串?dāng)_、量子比特壽命T1、量子比特相干時(shí)間T2等。

量子比特?cái)?shù)目，即量子計(jì)算機(jī)中物理量子比特的數(shù)量，反映了量子計(jì)算機(jī)硬件資源的最大可能性，是一個(gè)典型的規(guī)模指標(biāo)。量子比特?cái)?shù)目是量子計(jì)算機(jī)最早的測(cè)試評(píng)估指標(biāo)，因?yàn)槠渲皇且粋€(gè)數(shù)字并且足夠直觀易懂，就像經(jīng)典計(jì)算機(jī)的中央處理器(CPU)數(shù)量、主頻大小、內(nèi)存大小一樣，即使沒(méi)有計(jì)算機(jī)專業(yè)背景的人，一眼也能定性地評(píng)估出計(jì)算機(jī)的性能。量子比特?cái)?shù)目是評(píng)價(jià)量子計(jì)算能力的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。相關(guān)研究指出利用改進(jìn)的Shor算法破解RSA2048密鑰需要13 463個(gè)量子比特，耗時(shí)177 D[3]；考慮到硬件規(guī)格，在1 h內(nèi)完成公鑰破解，則需要大概3.17億個(gè)量子比特[4]。如果量子比特足夠完美，僅憑量子比特?cái)?shù)目就可以評(píng)估量子計(jì)算機(jī)的最大執(zhí)行能力。但是，目前硬件開(kāi)發(fā)還不夠完美，系統(tǒng)中存在各種各樣的錯(cuò)誤，可以通過(guò)多個(gè)量子比特冗余編碼進(jìn)行優(yōu)化。因此，在物理比特?cái)?shù)目的基礎(chǔ)上，業(yè)界又提出了邏輯比特?cái)?shù)目的概念。數(shù)百個(gè)甚至更多的物理比特進(jìn)行冗余編碼形成一個(gè)邏輯比特，邏輯比特的數(shù)目能更客觀地反映出量子計(jì)算機(jī)的理論計(jì)算能力。

連通性反映了量子比特之間的系統(tǒng)布局，不同的技術(shù)路線可實(shí)現(xiàn)的連接方式有所不同。目前實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算原型機(jī)量子比特之間的布局包括“最近鄰”“重六邊形晶格”“全連接”等形式。2019年谷歌推出的53比特“懸鈴木”超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)采用“最近鄰”布局，即量子比特組成二維陣列，每個(gè)量子比特與行和列中距離最近的4個(gè)量子比特相連接。2021年IBM推出的127比特“Eagle”超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)采用“重六邊形晶格”布局，量子比特組成六邊形陣列，每個(gè)量子比特與周圍的2個(gè)或3個(gè)量子比特相連接。最理想的情況是“全連接”形式，如2020年杜克大學(xué)和馬里蘭大學(xué)的研究人員首次設(shè)計(jì)的一款全連接的32比特離子阱量子計(jì)算機(jī)寄存器。量子比特之間的連接性在一定程度上影響著量子計(jì)算的性能。2022年，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)將相同的量子體積測(cè)試電路編譯到量子計(jì)算機(jī)不同的子拓?fù)渖希罱K獲得差異化的測(cè)評(píng)結(jié)果[5]。該結(jié)果反映出量子比特質(zhì)量的不均勻性和連通性對(duì)量子計(jì)算機(jī)性能的影響。

量子比特是由一個(gè)二能級(jí)系統(tǒng)構(gòu)成。量子比特壽命T1是指量子比特從高能級(jí)|1>衰變到低能級(jí)|0>的時(shí)間，即(|1〉)=e-t/T1。

量子比特壽命T1描述的是量子態(tài)縱向弛豫的時(shí)間，縱向弛豫會(huì)改變量子比特在|0>態(tài)和|1>態(tài)的分布概率。量子比特還存在一種橫向弛豫，橫向弛豫不會(huì)改變量子態(tài)的概率，但是會(huì)使量子狀態(tài)在Bloch球面的xy平面出現(xiàn)了一個(gè)角度偏移，這種角度偏移最終會(huì)使量子比特從相干態(tài)退化為混合態(tài)，這種橫向弛豫時(shí)間用量子比特相干時(shí)間T2表示。T2可以用如圖 1(b)的方法進(jìn)行測(cè)試：將量子比特初始化到|0>態(tài)，經(jīng)過(guò)一次Hadamard門(mén)操作，等待一段時(shí)間t，再施加一次Hadamard門(mén)操作，測(cè)量量子比特處于|0>態(tài)的概率P(|0〉)，逐漸延長(zhǎng)等待時(shí)間t，當(dāng)P(|0〉)=1/e時(shí)，對(duì)應(yīng)的等待時(shí)間t即為T(mén)2。

圖1 T1和T2測(cè)試電路示意圖

2.2 邏輯門(mén)級(jí)基準(zhǔn)

對(duì)于基于門(mén)操作的量子計(jì)算機(jī)，量子邏輯門(mén)級(jí)別的測(cè)評(píng)基準(zhǔn)直接反映量子比特執(zhí)行計(jì)算操作的能力。

量子邏輯門(mén)集合是指供應(yīng)商的量子計(jì)算機(jī)上定義的門(mén)操作的種類集合。不同的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)邏輯門(mén)操作的難度不同，因此不同供應(yīng)商的量子邏輯門(mén)集也存在一定的差異，這種差異會(huì)導(dǎo)致相同的算法在不同的量子計(jì)算機(jī)上編譯出的門(mén)電路不同。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同的編譯方式對(duì)算法的執(zhí)行也存在一定的影響[5]。

評(píng)價(jià)邏輯門(mén)質(zhì)量的測(cè)評(píng)指標(biāo)主要包括單/雙量子比特門(mén)錯(cuò)誤、狀態(tài)制備與測(cè)量錯(cuò)誤等。量子比特門(mén)錯(cuò)誤和量子比特門(mén)保真度是一對(duì)對(duì)應(yīng)的概念。1%的門(mén)錯(cuò)誤率對(duì)應(yīng)99%的門(mén)保真度，也就是說(shuō)每次對(duì)量子比特執(zhí)行門(mén)操作時(shí)，成功率為99%。需要指出的是，量子比特門(mén)錯(cuò)誤在門(mén)電路中是逐步累積的。執(zhí)行M個(gè)門(mén)操作后其保真度僅為0.99M。如果以1/e≈0.37作為閾值，對(duì)于保真度為99%的系統(tǒng)最多執(zhí)行98個(gè)門(mén)操作。另外一種錯(cuò)誤是狀態(tài)制備與測(cè)量(SPAM)錯(cuò)誤。在每個(gè)量子計(jì)算的開(kāi)始，必須將量子比特設(shè)置為正確的初始狀態(tài)，計(jì)算結(jié)束，必須正確測(cè)量量子比特的量子態(tài)分布。與門(mén)錯(cuò)誤不同，每個(gè)算法的SPAM錯(cuò)誤只發(fā)生一次。

評(píng)價(jià)邏輯門(mén)速度的測(cè)評(píng)指標(biāo)包括門(mén)操作速度、測(cè)量速度、重置速度，即評(píng)價(jià)門(mén)操作執(zhí)行的速度、測(cè)量量子態(tài)的速度以及將量子態(tài)重置的速度，或者單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行門(mén)操作、測(cè)量操作、重置操作的次數(shù)。這3種速度與T1、T2時(shí)間共同決定了量子計(jì)算機(jī)可以處理各種操作的最大次數(shù)，因?yàn)橹挥性趬勖秶鷥?nèi)執(zhí)行操作才是有意義的。如果量子比特的壽命很長(zhǎng)，但是門(mén)操作速度很慢，系統(tǒng)也是不可用的。

2.3 量子電路級(jí)基準(zhǔn)

對(duì)于基于門(mén)操作的量子計(jì)算機(jī)，任何量子算法最終都會(huì)被編譯成一系列量子門(mén)電路(Circuit)。因此，基于量子電路及系統(tǒng)的基準(zhǔn)測(cè)試更容易反映量子計(jì)算機(jī)在解決問(wèn)題時(shí)的綜合性能。

衡量量子電路規(guī)模往往采用電路深度和寬度來(lái)衡量。電路寬度定義為電路中的量子比特?cái)?shù)目，電路深度則反映電路執(zhí)行門(mén)操作的層數(shù)。電路的深度和寬度越大，解決的問(wèn)題越復(fù)雜。但是，通過(guò)對(duì)量子比特級(jí)別和門(mén)級(jí)別的性能分析可知，量子比特的壽命有限，并且任何門(mén)操作都會(huì)引入錯(cuò)誤，因此僅靠電路寬度和深度這兩個(gè)數(shù)值是不能全面反映量子計(jì)算機(jī)的性能的，還需要考量電路輸出結(jié)果的特性。基于以上考慮，科學(xué)家設(shè)計(jì)了一系列基于量子電路級(jí)別的基準(zhǔn)測(cè)試方法。這些基準(zhǔn)測(cè)試方法具有類似的基本結(jié)構(gòu)：在量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行一組特定的實(shí)驗(yàn)量子電路，對(duì)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對(duì)量子計(jì)算機(jī)某方面性能進(jìn)行評(píng)估，主要包括量子門(mén)集層析成像(GST)[6-7]、隨機(jī)基準(zhǔn)(RB)測(cè)試[8-14]、鏡像電路測(cè)試[15]等。

目前，對(duì)量子計(jì)算機(jī)評(píng)估比較全面的技術(shù)是量子門(mén)集層析成像(GST)。本文所指的量子電路是固定輸入/經(jīng)典輸出(FI/CO)電路。這類電路主要包含狀態(tài)準(zhǔn)備(初始化)、一系列量子門(mén)操作和量子態(tài)的測(cè)量3個(gè)部分。量子門(mén)集就是指這三部分組成的集合。所謂層析就是將一個(gè)未知實(shí)體(狀態(tài)準(zhǔn)備ρ，運(yùn)行過(guò)程(門(mén)操作)G，或測(cè)量M)置于假設(shè)已知的參考系中，評(píng)估實(shí)際輸出與理想輸出的差距(見(jiàn)圖 2)。GST對(duì)于實(shí)驗(yàn)規(guī)模和后處理要求極高，獲得GST測(cè)評(píng)結(jié)果相當(dāng)于求解高度非線性化的優(yōu)化問(wèn)題。測(cè)評(píng)單個(gè)量子比特大約需要80次試驗(yàn)，測(cè)評(píng)兩個(gè)量子比特試驗(yàn)數(shù)量就會(huì)增長(zhǎng)到4 000次。

圖2 量子門(mén)集層析成像原理示意圖[7]

另一種常用的基準(zhǔn)測(cè)評(píng)方法是隨機(jī)基準(zhǔn)(RB)測(cè)試。RB測(cè)試將被測(cè)試的門(mén)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，其去極化的平均保真度與原始門(mén)相同。試驗(yàn)中測(cè)量旋轉(zhuǎn)后的平均保真度，其結(jié)果與原始門(mén)的平均保真度相關(guān)。RB測(cè)試具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)RB測(cè)試所需的資源(試驗(yàn)次數(shù)、處理時(shí)間)隨著量子比特?cái)?shù)呈多項(xiàng)式增長(zhǎng)，而GST則是呈指數(shù)增長(zhǎng)。但是RB測(cè)試也存在明顯的缺點(diǎn)：首先，RB測(cè)試僅限于Clifford門(mén)集，不能用于表征量子計(jì)算的通用門(mén)集；其次，RB測(cè)試只能給出平均保真度單一指標(biāo)，對(duì)量子計(jì)算機(jī)性能評(píng)估不夠全面，并且從測(cè)評(píng)結(jié)果中也不能進(jìn)一步分析出噪聲模型，因?yàn)椴煌脑肼暷Ｐ涂赡墚a(chǎn)生相同的平均保真度；最后，RB測(cè)試假設(shè)門(mén)的錯(cuò)誤是獨(dú)立的，當(dāng)存在非馬爾科夫過(guò)程或者噪聲是時(shí)間相關(guān)的情況下，測(cè)試結(jié)果會(huì)存在較大的誤差。

鏡像電路基準(zhǔn)測(cè)試是由美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于2021年設(shè)計(jì)出的一種更準(zhǔn)確的新型性能測(cè)試方法。鏡像電路基準(zhǔn)測(cè)試是一種計(jì)算機(jī)程序，它可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行正向和反向計(jì)算，這種設(shè)計(jì)可以大大縮短測(cè)試時(shí)間。由于該測(cè)試方法的輸入和輸出是一致的，因此測(cè)試人員無(wú)需過(guò)多的數(shù)據(jù)處理便可立即檢查出量子計(jì)算機(jī)的性能。

2.4 系統(tǒng)級(jí)基準(zhǔn)

在量子電路級(jí)別的基準(zhǔn)測(cè)評(píng)基礎(chǔ)上，研究人員又提出了系統(tǒng)級(jí)別的基準(zhǔn)測(cè)評(píng)方法，以便完成更加系統(tǒng)、綜合的性能測(cè)試評(píng)估，主要包括量子體積(QV)[16]、每秒電路層操作數(shù)(CLOPS)[17]等。

IBM首先提出了量子體積的概念，綜合評(píng)估量子計(jì)算機(jī)的質(zhì)量和規(guī)模。QV測(cè)評(píng)中將電路層數(shù)定義為一層量子比特排列層和一層隨機(jī)兩比特幺正門(mén)SU(4)(見(jiàn)圖 3)。QV由量子處理器能夠成功運(yùn)行的最大隨機(jī)方形電路(寬度等于層數(shù))的QV層數(shù)定義。量子體積對(duì)量子處理器的硬件特性如量子比特?cái)?shù)目、量子壽命(T1和T2)、門(mén)保真度和測(cè)量保真度等非常敏感，同時(shí)還受連通性和編譯方式的影響。量子體積是一個(gè)整體的指標(biāo)，因?yàn)槠洳荒芡ㄟ^(guò)改進(jìn)系統(tǒng)的一個(gè)方面來(lái)改進(jìn)，而是需要系統(tǒng)的所有部分以協(xié)同的方式來(lái)改進(jìn)。

圖3 QV測(cè)試電路示意圖[16]

在QV的基礎(chǔ)上，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室又提出了體積基準(zhǔn)(Volumetric Benchmarks，VB)[18]。QV中定義了一系列深度d和寬度w相同的正方形電路。VB則定義了一系列矩形量子電路，其中d和w是解耦的，可以從時(shí)間和空間維度分別研究量子計(jì)算機(jī)的性能。每個(gè)VB定義了從電路形狀 (w,d)到測(cè)試套件C(w,d) 的映射。測(cè)試套件是具有共同結(jié)構(gòu)的測(cè)試電路的集合。在測(cè)試電路集合上，VB也在QV的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，不僅可以包含隨機(jī)電路和周期電路，還包含了應(yīng)用電路或偽代碼電路。不是所有的應(yīng)用算法都能抽象成隨機(jī)電路和周期電路的模型，量子計(jì)算機(jī)的性能需要更復(fù)雜的應(yīng)用電路進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，因此有必要對(duì)實(shí)際應(yīng)用算法的電路進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，形成新的測(cè)試基準(zhǔn)電路。VB將d和w解耦也更方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電路的映射。

CLOPS也是由IBM提出的，定義為單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)QPU可以執(zhí)行多少個(gè)參數(shù)化的QV電路。使用QV和CLOPS可以綜合評(píng)估量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模、質(zhì)量和速度。

2.5 應(yīng)用算法級(jí)基準(zhǔn)

面向應(yīng)用的基準(zhǔn)測(cè)試方法更適合于用戶進(jìn)行調(diào)用，并且一般返回單一的指標(biāo)和評(píng)分綜合反應(yīng)性能優(yōu)劣，能夠評(píng)估量子計(jì)算機(jī)在解決特定問(wèn)題(比如大數(shù)分解、組合優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí))時(shí)的能力。比如適用于量子-經(jīng)典混合計(jì)算的qBAS[19]，適用于標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化問(wèn)題的Q-score[20]，以及匯集多種算法應(yīng)用的App-Oriented測(cè)試套[21]、SupermarQ[22]、算法量子比特(#AQ)[23]等。

2021年，美國(guó)量子經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)盟(QED-C)公布了App-Oriented測(cè)試套，以特定量子算法(如Shors算法、Grover算法、QFT算法等)為基礎(chǔ)，用于測(cè)試量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際相關(guān)任務(wù)上的性能。測(cè)試套件中包括比較簡(jiǎn)單的演示級(jí)或?qū)嶒?yàn)級(jí)的程序(如Deutsch-Jozsa算法等)、大型應(yīng)用程序中的字功能塊(如QFT算法等)以及相對(duì)完整的應(yīng)用程序(如Shor算法、變分量子本征求解器等)。套件將每種應(yīng)用算法設(shè)計(jì)為問(wèn)題規(guī)?？勺兊暮瘮?shù)，并返回該算法在特性問(wèn)題規(guī)模下的執(zhí)行時(shí)間和保真度，分別評(píng)估量子計(jì)算機(jī)的速度和質(zhì)量。

這類基準(zhǔn)測(cè)試可用于評(píng)估量子計(jì)算機(jī)解決特定問(wèn)題的能力，對(duì)于非量子計(jì)算專業(yè)的用戶或投資者來(lái)說(shuō)結(jié)果直觀易懂。但是，這種評(píng)估結(jié)果是多種底層因素綜合、平均的結(jié)果，缺乏細(xì)節(jié)的展示，不適合研發(fā)者使用。

除了上述基準(zhǔn)測(cè)試，量子計(jì)算的測(cè)評(píng)技術(shù)還可以包括外圍保障系統(tǒng)測(cè)評(píng)(如制冷性能、真空性能、隔振性能等)、技術(shù)成熟度測(cè)評(píng)(如GJB 7688-2012或GB/T22900-2009)和對(duì)量子計(jì)算云平臺(tái)的測(cè)評(píng)(如云硬件、云軟件、云安全、云應(yīng)用、云運(yùn)維)等。這些測(cè)評(píng)技術(shù)不是專門(mén)為量子計(jì)算設(shè)計(jì)的，因此本文不作展開(kāi)。

目前，大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)硬件研發(fā)尚未突破，量子計(jì)算如何賦能生產(chǎn)生活也需要長(zhǎng)時(shí)間的探索。從“造出來(lái)”到“用起來(lái)”各個(gè)環(huán)節(jié)都需要基準(zhǔn)測(cè)評(píng)來(lái)全面綜合評(píng)估量子計(jì)算機(jī)的性能。量子計(jì)算機(jī)的當(dāng)務(wù)之急是“造出來(lái)”，并且努力提升量子比特規(guī)模和保真度兩大核心指標(biāo)，因此研發(fā)人員需要對(duì)量子計(jì)算硬件的錯(cuò)誤噪聲模型、復(fù)合方式及測(cè)控手段進(jìn)行深入的研究。面向底層的基準(zhǔn)測(cè)評(píng)方法以及量子門(mén)集層析成像技術(shù)將提供有效的手段，以便發(fā)現(xiàn)、定位、分析和解決問(wèn)題。作為工程化的一個(gè)重要指標(biāo)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性需要重點(diǎn)驗(yàn)證。在各種復(fù)雜環(huán)境中反復(fù)執(zhí)行科學(xué)、可復(fù)現(xiàn)的基準(zhǔn)測(cè)試可以有效地評(píng)估量子計(jì)算機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行的性能特征。當(dāng)量子計(jì)算機(jī)硬件愈發(fā)成熟，并過(guò)渡到應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)落地的階段，潛在用戶和投資者通過(guò)面向應(yīng)用的基準(zhǔn)測(cè)評(píng)方法獲取量子計(jì)算機(jī)直觀、綜合的性能表征，以便研判未來(lái)關(guān)注的方向。

3 量子計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)評(píng)體系框架初探

目前，量子計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)評(píng)技術(shù)研究處于百家爭(zhēng)鳴的階段。本文嘗試從兩個(gè)維度對(duì)重點(diǎn)基準(zhǔn)測(cè)評(píng)技術(shù)體系框架進(jìn)行梳理和分類(見(jiàn)圖 4)。其中，縱向維度從硬件—軟件—應(yīng)用的角度劃分5個(gè)層次，分別是量子比特、邏輯門(mén)、量子電路、系統(tǒng)和應(yīng)用算法的不同層面基準(zhǔn)測(cè)評(píng)。在此之上還有量子計(jì)算云平臺(tái)測(cè)評(píng)和整體技術(shù)成熟度的評(píng)估。越接近底層硬件的測(cè)評(píng)越能反映量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)細(xì)節(jié)(比如量子比特的噪聲模型、噪聲的復(fù)合形式等)，但是這類測(cè)評(píng)指標(biāo)技術(shù)專業(yè)性要求較高，主要適用于硬件研發(fā)人員在開(kāi)發(fā)或優(yōu)化量子處理器時(shí)應(yīng)用。越接近應(yīng)用層的測(cè)評(píng)技術(shù)指標(biāo)越單一，并且直觀易懂，可以對(duì)量子計(jì)算機(jī)在解決特定問(wèn)題時(shí)的性能作出綜合評(píng)價(jià)，屏蔽底層硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，適合應(yīng)用開(kāi)發(fā)者或行業(yè)用戶使用。橫向維度則是從規(guī)模、質(zhì)量、速度三方面進(jìn)行劃分。其中，規(guī)模指標(biāo)反映了量子計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的極限能力，質(zhì)量指標(biāo)反映了量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行任務(wù)的可靠性和可信度，速度指標(biāo)則反映了量子計(jì)算機(jī)在單位時(shí)間能完成的工作量。規(guī)模是量子計(jì)算的物理基礎(chǔ)，高質(zhì)量和高速度則是實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的必要條件，未來(lái)只有三者的綜合提升才能促進(jìn)量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

圖4 量子計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)架構(gòu)

4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及展望

量子計(jì)算測(cè)評(píng)基準(zhǔn)目前仍處于研究起步階段，業(yè)界各方正進(jìn)行開(kāi)放性探索。量子體積一般被認(rèn)為是用于測(cè)評(píng)量子計(jì)算機(jī)性能的一個(gè)相對(duì)有效指標(biāo)，量子體積越大，可能意味著未來(lái)量子計(jì)算機(jī)能解決的實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜度就越高。但是，也有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)在解決金融投資組合優(yōu)化問(wèn)題中，量子體積大的機(jī)器并沒(méi)有取得實(shí)際問(wèn)題中的最佳效果[24]。還有研究發(fā)現(xiàn)電路后編譯方式、電路是否優(yōu)化、具體執(zhí)行的比特分布都會(huì)影響QV的最終測(cè)試結(jié)果[5]。因此，未來(lái)對(duì)于量子計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)評(píng)技術(shù)原理和影響因素等，還需要更多和更深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

隨著量子計(jì)算硬件技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)，新的基準(zhǔn)測(cè)評(píng)指標(biāo)也可能會(huì)被提出和推廣。目前的測(cè)評(píng)體系多是基于物理量子比特設(shè)計(jì)的。未來(lái)隨著量子糾錯(cuò)技術(shù)逐漸成熟和實(shí)用，如何評(píng)價(jià)邏輯量子比特的性能需要進(jìn)一步的研究。量子糾纏被認(rèn)為可以將分布在不同地理位置的量子計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，并且指數(shù)級(jí)地?cái)U(kuò)展計(jì)算能力，未來(lái)有望形成分布式量子計(jì)算或者真正的量子云計(jì)算。對(duì)于其中的糾纏連接能力，不同物理體系之間的轉(zhuǎn)換連接能力等也需要進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試評(píng)估。

未來(lái)量子計(jì)算評(píng)價(jià)體系和測(cè)評(píng)基準(zhǔn)將向著開(kāi)放性、易用性、客觀性、可復(fù)現(xiàn)性、科學(xué)性、系統(tǒng)性和可追溯性的方向發(fā)展?；鶞?zhǔn)測(cè)評(píng)技術(shù)體系和方法會(huì)隨著量子計(jì)算機(jī)硬件的不斷成熟而日趨完善。單一的指標(biāo)無(wú)法綜合評(píng)估性能優(yōu)劣，并且不同的應(yīng)用需求也對(duì)應(yīng)不同的基準(zhǔn)測(cè)試?！皻w一化”是量子計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)評(píng)發(fā)展的必然方向，即由繁雜的多維度測(cè)評(píng)方案收斂成一種標(biāo)準(zhǔn)化的可縱向?qū)Ρ鹊臏y(cè)評(píng)體系。

5 結(jié)束語(yǔ)

量子計(jì)算科學(xué)研究和應(yīng)用探索熱點(diǎn)頻出，資本市場(chǎng)高度關(guān)注，加速了其技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。量子計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)評(píng)對(duì)于量子計(jì)算的工程化、實(shí)用化以及未來(lái)的商業(yè)化具有至關(guān)重要的意義。歐美各國(guó)積極構(gòu)建量子計(jì)算測(cè)試床，加速量子計(jì)算樣機(jī)研發(fā)、收集測(cè)試用例、探索Benchmark評(píng)測(cè)指標(biāo)，提供資源共享與產(chǎn)學(xué)研用開(kāi)放平臺(tái)。目前，我國(guó)尚未部署產(chǎn)業(yè)級(jí)量子計(jì)算基準(zhǔn)驗(yàn)證項(xiàng)目，缺少面向行業(yè)探索和工業(yè)應(yīng)用的量子計(jì)算測(cè)試平臺(tái)。鑒于量子計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)評(píng)的重要性，建議我國(guó)加快相關(guān)測(cè)評(píng)方法、測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目布局，依托產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、標(biāo)準(zhǔn)化組織開(kāi)展公共測(cè)試床的建設(shè)，聯(lián)合產(chǎn)學(xué)研用多方的資源和力量，合作交流，協(xié)同創(chuàng)新，共同推動(dòng)我國(guó)量子計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)評(píng)體系的建立。