量子體積每年翻番，10年內實現量子霸權

新智元報導

來源：IBM

編輯：肖琴、大明

【新智元導讀】IBM今天宣布量子計算新里程碑：迄今為止最高的量子體積！與此同時，IBM發布了量子性能的“摩爾定律”，宣布其“量子霸權”時間表：為了在10年內實現量子霸權，需要每年將量子體積至少增加一倍。

量子摩爾定律來了！

在近日召開的 2019 年美國物理學會三月會議上，IBM拋出了這個概念。

在這次會議上，IBM 宣布它最新型的量子計算機、今年 1 月在 CES 上亮相的全球首台商用量子計算一體機IBM Q System One提供了 “迄今為止最高的量子體積”。

“量子體積”(Quantum Volume)是 IBM 提出的一個專用性能指標，用於測量量子計算機的強大程度，其影響因素包括量子比特數、門和測量誤差、設備交叉通信、以及設備連接和電路編譯效率等。

因此，量子體積越大，量子計算機的性能就越強大，能夠解決的實際問題就越多。

重要的是，IBM 發現量子體積遵循一種 “摩爾定律”：其量子計算機實現的量子體積，每年增加一倍：

2017 年 IBM 的 Tenerife 設備 (5-qubit) 已經實現了 4 量子體積；

2018 年的 IBM Q 設備 (20-qubit)，其量子體積是 8；

2019 年最新推出的 IBM Q System One(20-qubit)，量子體積達到 16.

也就是說，自 2017 年以來，IBM 每年將量子體積翻了一番。

這種倍增與摩爾定律非常相似。摩爾定律由英特爾創始人之一的戈登?摩爾提出，即：

集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔兩年便會增加一倍

IBM還制定了一個雄心勃勃的時間表：為了在 2020 年代實現量子霸權，我們需要每年至少增加一倍的量子體積！

量子體積是什麽？

IBM 在部落格上發布了對 System Q One 的幾個模型測試結果的概述。

當然，重點的測量指標是 “量子體積”，團隊還發表了一篇論文，詳細描述了這個指標以及如何計算。

在論文中，他們指出，新的度量標準 “量化了計算機成功實現的最大寬度和深度相同的隨機電路”，並指出它還與錯誤率密切相關。

除了提供迄今為止最高的量子體積之外，IBM Q System One 的性能還反映了 IBM 所測量到的最低錯誤率，平均 2-qubit gate 的錯誤率小於 2%，其最佳 gate 的錯誤率小於1%。

低錯誤率很重要，因為要想構建功能完備、大規模、通用、容錯的量子計算機，需要較長的相乾時間和較低的錯誤率。

量子體積是衡量量子霸權 (Quantum Advantage, 又稱量子優勢) 進展的一個基本性能指標，在這一點上，量子應用程序帶來了超越經典計算機本身能力的重大、實際的好處。

接下來，詳細闡述“量子體積”的概念和意義。

IBM對 Q System One進行了詳細的基準測試，並在部落格中公布IBM Q Network系統“Tokyo”和“Poughkeepsie”以及公開發布的IBM Q Experience系統“Tenerife”的一些性能數據。

特定量子計算機的性能可以在兩個層面上表示：與芯片中基礎量子位相關的度量，我們稱之為“量子器件”，以及整體系統性能。

下表比較了四個最近的IBM Q系統中量子器件的基本指標：

IBM Q System One的性能可以體現在測得的一些最優性能/最低錯誤率數字中。平均兩個量子比特門誤差小於2％，最佳門錯誤碼率小於1％。

IBM的設備基本上受到相乾時間的限制，對於IBM Q System One來說平均為73μs。

平均兩比特率誤差率在相乾極限的兩倍之內（1.68倍），該極限即由量子位T1和T2設定的理論極限（IBM QSystem One平均為74μs和69μs）。這表明IBM的控件引起的誤差非常小，已經接近該器件上最高的量子比特保真度。

量子摩爾定律 ：為了實現量子優勢，量子體積需要每年至少翻一番

為了在本世紀20年代實現量子優勢，需要每年至少將“量子體積”增加一倍。

IBM的五量子比特設備Teumife的量子體積是2017年首次通過IBM Q Experience量子雲服務提供的，目前的IBM Q 20-量子位的高端設備的量子體積為8。最新結果表明，IBM Q System One性能已經超過16量子體積。自2017年以來，IBM Q團隊每年都實現了量子體積的倍增。

下面是一張量子系統開發路線圖，以量子體積為衡量標準，量子系統計算力每年增長一倍。

有趣的是，其實可以將上圖與Gordon Moore在1965年4月19日提出這張著名的“摩爾定律”圖表進行比較：

為了實現0.01％的誤差率，需要將相乾時間提高到1-5毫秒，這是一個漫長的未來之路，在量子系統中實現這一目標需要克服很多激動人心的挑戰。

在制定系統路線圖的同時，需要同時研究元器件的基本物理特性，並測量了單個超導傳輸量子比特T1弛豫時間長達0.5毫秒（500微秒，質量因數為1500萬），研究結果表明這些器件不存在基本材料上的限制問題。

雖然“量子體積”可用於表征設備性能，但業界也可以使用其他指標，例如測量設備上的糾纏量子位的方式，從中提取有關係統性能的更多信息。

對於多量子位糾纏，一個簡單的衡量標準是n-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）狀態的斷層攝影（可完全描述未知量子態的相同集合的過程），比如4量子位狀態。

首先準備GHZ狀態，並通過在不同基礎上的各個量子位的投影，重建我們創建的狀態。這裡的量度指標是可實現的實驗狀態相對於目標狀態的保真度。

狀態層析成像對測量誤差很敏感，因此如果不具備去除這些誤差影響的技術，我們重建的4量子位 GHZ狀態的保真度為0.66，可以繪製出如下的密度矩陣：

不過，可以通過額外校準測量來確定測量誤差的倒數，並對層析成像數據進行測量校正，從而降低這些誤差。同樣的數據經過校正處理後，保真度提升至0.98。請注意，此值不包括誤差線，誤差線將包含由於狀態準備和測量誤差引起的統計噪音和系統噪音。

Qiskit Ignis是一種理解和降低量子電路和器件噪音的框架，也是IBM的開源量子開發套件Qiskit的一部分。Qiskit Ignis中包括測量誤差降噪。

降噪後的4比特GHZ狀態層析成像，保真度為0.98

我們還對IBM Q System One上的真正糾纏狀態進行了初步測量，共有多達18個量子比特糾纏。

這些初步結果，再加上量子體積和降低測量誤差技術的改進，以及新的快速高保真量子位測量的成果，將在2019年3月美國物理學會的會議上公布。

量子計算的噪聲中間量子（NISQ）時代的到來是一個激動人心的時刻——從硬體，軟體到物理學的突破，再到新的量度標準的誕生。要在實用系統上繼續改進“量子體積”量度標準，仍需要進一步的研究和應用。IBM計劃在紐約Poughkeepsie開設新的量子計算中心，在2019年下半年製造具有相當性能水準的量子計算系統。

1965年，戈登·摩爾曾斷言：“集成電子技術的未來是電子產品本身的未來。”而我們現在相信，量子計算的未來將成為計算機本身的未來。

史上最高量子體積的量子計算機，是何方神聖？

IBM Q System One，號稱全球首台量子計算一體機，它體積如同大象，算力不敵小手機。

今年 1 月，拉斯維加斯 CES 展會上，Q System One 首次亮相。

它猶如一件藝術品，被安置在一個 2.74 米高、2.74 寬的的硼矽玻璃櫃中，中間掛著吊燈一般的量子計算核心硬體，由一個閃亮的圓柱形黑色外殼包裹，裡面的所有部件都被精妙地隱藏起來。

當然，為了方便維護，玻璃外殼可以使用電機打開。

IBM Q System One 由許多自定義組件組成，這些組件協同工作，可用於最先進的基於雲的量子計算程序，包括：

具有穩定性和自動校準能力的量子硬體設計，提供可重複、可預測的高質量量子比特。

製冷工程，提供連續冷卻、孤立的量子環境。

緊湊型高精度電子元件，可嚴格控制大量量子比特。

量子韌體，可管理系統運行狀況並啟用系統升級，無需用戶停機。

經典計算能力，提供安全的雲訪問和量子算法的混合運行。

以及 IBM 剛剛公布的，它的 “量子體積” 達到了 16。

如果明年 IBM 如約推出 32 量子體積的計算機，又會是何等的高端藝術品呢？

巨頭攪局，量子計算競爭白熱化

根據 BCC Research 的數據，到 2022 年，全球量子計算市場的複合年均增長率預計將達到 37.3%，產值達到 1.61 億美元左右。再往後，2027 年該市場的年複合增長率將達到 53% 左右，產值達到 13 億美元。

這個預測並不誇張。因為，這個領域的競爭正在加劇。

英特爾、微軟、谷歌等主要競爭對手正在加入競爭。這些巨頭科技公司正不遺余力地將量子計算商業化和民主化，使其進入商用領域。

英特爾最近與 Bluefors 和 Afore 合作推出了首款量子低溫晶圓探針 (Cryogenic Wafer Prober)。這種裝置可以加速基於矽的量子芯片上量子比特的測試過程。

微軟的量子網絡也正在成長。作為該公司量子開發工具包的一部分，微軟大力推廣其“量子友好” 的最新編程語言 Q#(Q-sharp)。微軟的目標是開發一種通用量子計算機，採用堅固的基於納米線的硬體結構，具有糾錯機制。

以此同時，谷歌在去年 7 月發布了名為 Cirq 的開源軟體工具包，以幫助開發人員測試量子計算算法。此外，在去年 3 月，谷歌宣布推出 Bristlecone，一台 72 量子比特的通用量子計算機。

參考鏈接：

https://www.ibm.com/blogs/research/2019/03/power-quantum-device/