量子摩爾定律問世:量子體積每年翻倍,10年內實現量子霸權
量子摩爾定律問世:量子體積每年翻倍,10年內實現量子霸權
2019.03.11 | IBM

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:

  • 2017年IBM的Tenerife裝置(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倍。

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圖/ 鈦媒體

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。

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圖/ 鈦媒體

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:

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圖/ 鈦媒體

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。

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圖/ 鈦媒體

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。

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圖/ 鈦媒體

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:

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圖/ 鈦媒體

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。

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圖/ 鈦媒體

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。

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圖/ 鈦媒體

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:

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圖/ 鈦媒體

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。

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圖/ 鈦媒體

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。

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IBM Q System One。
圖/ 鈦媒體

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:

  • 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。

  • 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位元。

  • 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。

  • 經典運算能力,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

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迎戰大缺工時代!德國凱馳在台首推「智慧自主洗地機器人」,開啟商用清潔革命
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在少子化與高齡化的雙重夾擊下,台灣勞力結構正面臨前所未有的嚴峻挑戰,預估從2020至2030年間,15至64歲的勞動人口將減少約10.3%。「缺工」不再是短期波動,而是長期影響各行各業的結構性危機,尤以高度依賴人力的清潔產業為甚。

然而在後疫情時代,社會對場域的衛生標準只增不減,加上大型商場、交通樞紐、物流中心與高科技廠房的建設面積每年持續擴增,清潔人員招募困難且年齡漸趨中高齡,有限人力難以扛起龐大的日常清潔工作。

面對亟待填補的市場空缺,全球清潔設備領導品牌德國凱馳,憑藉深厚的專業底蘊與嚴謹的研發標準,首次在台推出「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」,為台灣大型商用場域提供劃時代的智慧清潔解方。

凱馳總經理李恒毅觀察,少子化與高齡化衝擊清潔產業,透過更省時省力的「人機協作」模式,可大幅減輕第一線清潔人員負擔。
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圖/ 數位時代

凱馳總經理李恒毅強調,「KIRA BR 50並非要取代清潔人員,而是建立更省時省力的『人機協作』模式。」在傳統模式下,清潔人員必須拖著重達數十公斤的水桶與設備,在大面積區域來回奔波,耗時費力。有了KIRA BR 50後,機器人能精準且獨立承接大面積地板的頻繁清掃與洗刷,讓清潔人員將珍貴時間與專注力轉移至桌面、扶手及高接觸頻率的精細區域清潔,大幅減輕第一線負擔。

集結百年洗地技術與智慧科技,四大特點樹立清潔標竿

事實上,市場不乏新創科技公司推出清潔機器人,但凱馳業務總監李敍均指出,大多新創公司擅長科技部分,但對於「如何把地洗乾淨」的清潔本質缺乏經驗。德國凱馳成立近百年來,早已是這方面的專家,歷經總部反覆打磨,KIRA BR 50結合凱馳的專業工藝與前沿科技,以四大特點樹立智慧清潔標竿。

凱馳業務總監李敍均指出,「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」經過德國總部嚴格打磨才正式問世,展現德國工藝的嚴謹與專業。
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圖/ 數位時代

首先是「高效清潔」,相較一般清潔機器人使用盤刷,容易讓污垢在地面旋轉滯留,KIRA BR 50採用獨家滾刷技術,一次完成預掃、收集垃圾、洗地與擦乾,搭配側刷貼近牆角,完成零死角邊緣清潔。每分鐘超過1300轉的高轉速刷頭,加上業界最高刷壓,大幅提升清潔效果,最高每小時可自主清潔高達2365平方公尺,相當於5.6座籃球場,一小時即可完成約兩次台北車站大廳的清潔作業,非常適合面積廣大的車站、機場、物流中心等大型場域使用。

第二是「極致安全」,隨著智慧設備進入高科技產業與政府機關等敏感場域,企業對設備安全與隱私防護的要求也日益提高,KIRA BR 50配備「3D點陣式影像偵測技術」,當機器人在環境感知與避障時僅呈現去識別化的點陣雲,不記錄或上傳實體影像,從源頭杜絕案場影像與隱私資訊被記錄或外洩的疑慮。此外資料傳輸裝置均支援AES-256位元高規格加密,並通過IEC與Syss等多項國際認證的自主導航、電氣安全與防駭客入侵設計,領先競品,建立清潔機器人極致安全的新標準。

第三是「解放人力」,大面積且重複的洗地工作交給機器人後,第一線員工便能投入更多需要專業服務的細緻清潔工作;同時搭配四合一自動工作基站,能自動高速充電、補充清水、排放汙水、清洗水箱,讓清潔人員更加省事。

第四是「友善操作」,考量許多清潔人員為中高齡族群,機身特別以簡單顏色和圖形化介面標示清潔人員可獨立操作的簡易按鈕,直覺易懂。針對開放式大面積,僅需人工操作一次,機器人便可在短時間內自主完成地圖掃描與路徑規劃,並具備智慧記憶功能,能自動回補因臨時障礙物而漏洗的區域,無須專業工程師提前設定地圖與電子圍籬,大幅降低使用門檻。

第一線清潔龍頭實測驗證,人機協作打造清潔新紀元

這套智慧清潔方案在正式推向市場前,也已在台灣機場等第一線大型場域實地驗證,與凱馳合作長達10多年的台灣清潔產業龍頭——信實集團,正是這場科技變革的最佳見證者。

信實集團副總經理趙雪吟相當期待未來在大型公共場域中引進KIRA BR 50,藉此提升清潔效率。
信實集團副總經理趙雪吟相當期待未來在大型公共場域中引進KIRA BR 50,藉此提升清潔效率。
圖/ 數位時代

信實集團承攬機場、車站等眾多大型公共標案,對設備品質與安全極為挑剔,信實集團副總經理趙雪吟坦言,「服務業缺工已經是全面性挑戰,第一線清潔產業長期面臨人力招募困境,引進自動化設備是不可逆趨勢。」

早在一、兩年前他親赴德國凱馳,看到KIRA BR 50後,便非常期待正式在台上市的一天。此次信實率先參與驗證,對KIRA BR 50展現出的穩定度與清潔效率印象深刻,不僅能高效自主洗地,完成後還會返回工作站維護充電,讓有限人力集中於精細工作上。

「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」具備四大特點,以高效清潔與極致安全協助企業穩定清潔量能。
「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」具備四大特點,以高效清潔與極致安全協助企業穩定清潔量能。
圖/ 數位時代

趙雪吟也特別強調,公家機關與大型企業標案對設備的製造品質、電氣安全與資安防護有嚴格標準,凱馳耗費數年進行嚴謹測試與多項國際認證,正是信實能放心將機器人引入重要案場的關鍵,期望未來導入至更多大型公共場域。

隨著KIRA BR 50正式登台,凱馳不僅為缺工時代提供最佳解方,也展現作為全球清潔設備領導品牌的前瞻視野,敏銳洞察清潔產業缺工、高齡化的必然趨勢,從第一線人員與企業實際需求出發,提前佈局研發對應智慧產品。未來凱馳將持續以領航者之姿,引進多元的專業清潔機型,讓「人機協作」不再只是前瞻概念,而是兼顧品質、安全與人本價值的最佳幫手,全力助攻台灣清潔產業邁向更高效、智慧、也更有溫度的全新紀元。

在2026台北國際自動化工業大展中,凱馳也將「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」帶到現場,展示人機協作的智慧清潔模式。
在2026台北國際自動化工業大展中,凱馳也將「KIRA BR 50智慧自主洗地機器人」帶到現場,展示人機協作的智慧清潔模式。
圖/ 數位時代
關鍵字: #機器人

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