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(fā)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 上亮相的全球首臺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，用于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(fā)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(chuàng)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!

量子體積是什么?

IBM 在博客上發(fā)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(fā)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”，并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 的錯誤率小于2%，其最佳gate 的錯誤率小于1%。

低錯誤率很重要，因為要想構建功能完備、大規(guī)模、通用、容錯的量子計算機，需要較長的相干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(yōu)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，并在博客中公布IBM Q Network系統“Tokyo”和“poughkeepsie”以及公開發(fā)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(yōu)性能/最低錯誤率數字中。平均兩個量子比特門誤差小于2%，最佳門錯誤碼率小于1%。

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

平均兩比特率誤差率在相干極限的兩倍之內(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(yōu)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(yōu)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量子云服務提供的，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(fā)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，需要將相干時間提高到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(zhàn)。

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，并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”可用于表征設備性能，但業(yè)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，從中提取有關系統性能的更多信息。

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

首先準備GHZ狀態(tài)，并通過在不同基礎上的各個量子位的投影，重建我們創(chuàng)建的狀態(tài)。這里的量度指標是可實現的實驗狀態(tài)相對于目標狀態(tài)的保真度。

狀態(tài)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(tài)的保真度為0.66，可以繪制出如下的密度矩陣：

不過，可以通過額外校準測量來確定測量誤差的倒數，并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后，保真度提升至0.98。請注意，此值不包括誤差線，誤差線將包含由于狀態(tài)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(fā)套件Qiskit的一部分。Qiskit Ignis中包括測量誤差降噪。

降噪后的4比特GHZ狀態(tài)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(tài)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——從硬件，軟件到物理學的突破，再到新的量度標準的誕生。要在實用系統上繼續(xù)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年下半年制造具有相當性能水平的量子計算系統。

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?！倍覀儸F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，是何方神圣?

IBM Q System One，號稱全球首臺量子計算一體機，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。

IBM Q System One

它猶如一件藝術品，被安置在一個2.74 米高、2.74 寬的的硼硅玻璃柜中，中間掛著吊燈一般的量子計算核心硬件，由一個閃亮的圓柱形黑色外殼包裹，里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，可用于最先進的基于云的量子計算程序，包括：

具有穩(wěn)定性和自動校準能力的量子硬件設計，提供可重復、可預測的高質量量子比特。

制冷工程，提供連續(xù)冷卻、孤立的量子環(huán)境。

緊湊型高精度電子元件，可嚴格控制大量量子比特。

量子固件，可管理系統運行狀況并啟用系統升級，無需用戶停機。

經典計算能力，提供安全的云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復合年均增長率預計將達到37.3%，產值達到1.61 億美元左右。再往后，2027 年該市場的年復合增長率將達到53% 左右，產值達到13 億美元。

這個預測并不夸張。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(yè)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于硅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(fā)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(fā)一種通用量子計算機，采用堅固的基于納米線的硬件結構，具有糾錯機制。

以此同時，谷歌在去年7 月發(fā)布了名為Cirq 的開源軟件工具包，以幫助開發(fā)人員測試量子計算算法。此外，在去年3 月，谷歌宣布推出Bristlecone，一臺72 量子比特的通用量子計算機。