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電腦——今年一月在CES上亮相的全球首台商用量子運算一體機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，用於測量量子電腦的強大程度，其影響因素包括量子位元數、閘和測量誤差、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，量子電腦的性能就越強大，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」：其量子電腦實現的量子體積，每年增加一倍：
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2017年IBM的Tenerife裝置（5-qubit）已經實現了4量子體積；
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2018年的IBM Q設備 (20-qubit)，其量子體積是8；
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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倍。
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高登・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！
量子體積是什麼？
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運算。
在論文中，他們指出，新的度量標準「量化了電腦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、容錯的量子電腦，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, 又稱量子優勢）進展的一個基本性能指標，在這一點上，量子應用程式帶來了超越經典電腦本身能力的重大、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，並在部落格中公佈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。
特定量子電腦的性能可以在兩個層面上表示：與晶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。平均兩個量子位元閘誤差小於2％，最佳閘錯誤碼率小於1％。
IBM的設備基本上受到相干時間的限制，對於IBM Q System One來說平均為73μs。
平均兩位元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位元保真度。
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的五量子位元設備Teumife的量子體積是2017年首次透過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，量子系統運算力每年增長一倍。
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。
在製定係統路線圖的同時，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位元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」可用於表徵設備性能，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，可以透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位元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個量子位元糾纏。
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佈。
量子運算的噪聲中間量子（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開設新的量子運算中心，在2019年下半年製造具有相當性能水平的量子運算系統。
1965年，高登·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，量子運算的未來將成為電腦本身的未來。
史上最高量子體積的量子電腦，是何方神聖？
IBM Q System One，號稱全球首台量子運算一體機，它體積如同大象，算力不敵小手機。
今年一月，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公尺高、2.74公尺寬的的硼矽玻璃櫃中，中間掛著吊燈一般的量子運算核心硬體，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運算程式，包括：
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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位元。
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製冷工程，提供連續冷卻、孤立的量子環境。
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緊湊型高精度電子元件，可嚴格控制大量量子位元。
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量子固件，可管理系統運行狀況並啟用系統升級，無需用戶停機。
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經典運算能力，提供安全的雲訪問和量子算法的混合運行。
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以及IBM剛剛公佈的，它的「量子體積」 達到了16。
如果明年IBM如約推出32量子體積的電腦，又會是何等的高端藝術品呢？
巨頭攪局，量子運算競爭白熱化
根據BCC Research的數據，到2022年，全球量子運算市場的複合年均成長率預計將達到37.3%，產值達到1.61億美元左右。再往後，2027年該市場的年複合成長率將達到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、Google等主要競爭對手正在加入競爭。這些巨頭科技公司正不遺餘力地將量子運算商業化和民主化，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晶片上量子位元的測試過程。
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電腦，採用堅固的基於奈米線的硬體結構，具有糾錯機制。
以此同時，Google在去年七月發布了名為Cirq的開源軟體工具包，以幫助開發人員測試量子運算算法。此外，在去年三月，Google宣布推出Bristlecone，一台72量子位元的通用量子電腦。
本文授權轉載自：鈦媒體
