在近日召開的 2019 年美國(guó)物理學(xué)會(huì)三月會(huì)議上，IBM宣布實(shí)現(xiàn)了一個(gè)新的科學(xué)里程碑：迄今為止最高的量子體積(Quantum Volume)。

量子體積是由 IBM 提出的一個(gè)專用指標(biāo)，用于測(cè)量量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大程度，其影響因素包括門(Gate)和測(cè)量誤差(Measurement Errors)、設(shè)備交叉通信(Device Cross Talk)以及設(shè)備連接(Device Connectivity)和電路編譯效率(Circuit Complier Efficiency)等。它所遵循的規(guī)律是：量子體積越大，量子計(jì)算機(jī)可能解決的實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題就越多。這些復(fù)雜問(wèn)題包括，化學(xué)模擬、財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)建模、供應(yīng)鏈優(yōu)化等。

量子處理能力指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)預(yù)測(cè)

IBM 量子體積增長(zhǎng)圖

自 2017 年以來(lái)，IBM 每年都實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的倍增。2016 年 5 月，IBM 的量子計(jì)算機(jī)通過(guò)其 IBM Q Experience 量子云服務(wù)首次向公眾開放。

IBM 近期推出的 IBM Q System One 量子計(jì)算機(jī)，搭載第四代 20 量子比特處理器，其量子體積高達(dá) 16，大約是當(dāng)前20 量子比特 IBM Q Network設(shè)備的兩倍，當(dāng)前設(shè)備的量子體積是 8。

IBM Q System One

?決定量子體積的因素有很多，包括:

量子比特?cái)?shù)量(Number of Qubits)

設(shè)備連接(Connectivity)

相干時(shí)間(Coherence Time)

門和測(cè)量誤差(Gate and Measurement Errors)

設(shè)備交叉通信(Device Cross Talk)

電路軟件編譯效率(Circuit Software Compiler Efficiency)等

除了達(dá)到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(cè)量到的最低錯(cuò)誤率，平均 2 量子比特門的錯(cuò)誤率小于2%，其最佳門的錯(cuò)誤率小于 1%。要想構(gòu)建功能完備、大規(guī)模、通用且容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，需要較長(zhǎng)的相干時(shí)間和較低的錯(cuò)誤率。

量子體積是衡量量子優(yōu)勢(shì)進(jìn)展的一個(gè)基本性能指標(biāo)，在這一點(diǎn)上，量子應(yīng)用帶來(lái)了超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)能力的實(shí)際好處，意義重大。IBM Q Network 的合作伙伴已開始研究準(zhǔn)確模擬電動(dòng)車電池化學(xué)組成、金融衍生品定價(jià)二次方加速等許多潛在用例。為了在本世紀(jì) 20 年代獲得量子優(yōu)勢(shì)，IBM 認(rèn)為需要每年至少將“量子體積”增加一倍。

量子處理能力指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)預(yù)測(cè)

戈登?摩爾在 1965 年進(jìn)行的經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)處理能力指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)預(yù)測(cè)

戈登·摩爾在 1965 年發(fā)表了論文“在集成電路中容納更多的元器件(Cramming more components onto integrated circuits)”。在這篇論文中，戈登·摩爾提出了著名的摩爾定律：經(jīng)典計(jì)算機(jī)每個(gè)集成電路上元器件的數(shù)量將會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。IBM Q 系統(tǒng)自 2017 年推出以來(lái)，也呈現(xiàn)出類似的早期增長(zhǎng)模式，這也支持了之前的一個(gè)假設(shè)：若要獲得量子優(yōu)勢(shì)，量子體積需要每年增加一倍。

IBM研究院專門負(fù)責(zé)量子驗(yàn)證的 IBM Q 量子性能團(tuán)隊(duì)主管 Sarah Sheldon 博士表示：“目前，我們正在建立量子計(jì)算路線圖，因?yàn)槲覀兊?IBM Q 團(tuán)隊(duì)一直在推動(dòng)實(shí)現(xiàn)‘讓量子計(jì)算為科學(xué)和業(yè)務(wù)帶來(lái)真正的影響’這一目標(biāo)。盡管我們?cè)诹孔佑?jì)算領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一些科學(xué)突破，也在研究一些早期用例，但我們的目標(biāo)是繼續(xù)推動(dòng)量子體積的提升，最終彰顯量子優(yōu)勢(shì)。”

IBM 在 APS 大會(huì)上

IBM 院士 Jay Gambetta 博士受邀于3 月 8 日（周五）在APS 上進(jìn)行了一場(chǎng)主題為“NISQ-Era 量子處理器基準(zhǔn)測(cè)試”(Benchmarking NISQ-Era Quantum Processors)的演講，為與會(huì)者展示了 IBM Q System One 及其他 IBM Q 系統(tǒng)的基準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)，并介紹了量子體積在實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)中的重要性。IBM Q 科學(xué)家 Lev Bishop 博士也在 APS 三月會(huì)議上進(jìn)行了主題為“X35.00001：有助于提升 transmon 處理器量子體積的軟件和硬件”(X35.00001:Software and Hardware for Improved Quantum Volume of Transmon Processors )的演講（3 月 8 日），深入地解讀了這些基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果。有關(guān) IBM 量子計(jì)算機(jī)基準(zhǔn)測(cè)試的更多詳情，請(qǐng)參閱 IBM 研究院博客：https://www.research.ibm.com

IBM Q 科學(xué)家及其同事的研究成果在 APS 三月會(huì)議上通過(guò)超過(guò) 35 場(chǎng)演講揭開了神秘面紗。

關(guān)于 IBM Q

IBM Q 是業(yè)內(nèi)首個(gè)量子計(jì)算計(jì)劃，旨在構(gòu)建商用通用量子計(jì)算系統(tǒng)，為商業(yè)和科學(xué)應(yīng)用提供服務(wù)。有關(guān) IBM 在量子計(jì)算領(lǐng)域的更多信息，