量子摩尔定律问世 - 量子体积每年翻番 10年内实现量子霸权

IBM今天宣布量子计算新里程碑：迄今为止最高的量子体积！与此同时，IBM发布了量子性能的“摩尔定律”，宣布其“量子霸权”时间表：为了在10年内实现量子霸权，需要每年将量子体积至少增加一倍。量子摩尔定律来了！在近日召开的2019 年美国物理学会三月会议上，IBM抛出了这个概念。
在这次会议上，IBM 宣布它最新型的量子计算机、今年1 月在CES 上亮相的全球首台商用量子计算一体机IBM Q System One提供了“迄今为止最高的量子体积”。

“量子体积”(Quantum Volume)是IBM 提出的一个专用性能指标，用于测量量子计算机的强大程度，其影响因素包括量子比特数、门和测量误差、设备交叉通信、以及设备连接和电路编译效率等。

因此，量子体积越大，量子计算机的性能就越强大，能够解决的实际问题就越多。

重要的是，IBM 发现量子体积遵循一种“摩尔定律”：其量子计算机实现的量子体积，每年增加一倍：

2017 年IBM 的Tenerife 设备(5-qubit) 已经实现了4 量子体积；

2018 年的IBM Q 设备(20-qubit)，其量子体积是8；

2019 年最新推出的IBM Q System One(20-qubit)，量子体积达到16.

也就是说，自2017 年以来，IBM 每年将量子体积翻了一番。

这种倍增与摩尔定律非常相似。摩尔定律由英特尔创始人之一的戈登・摩尔提出，即：

集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔两年便会增加一倍

IBM还制定了一个雄心勃勃的时间表：为了在2020 年代实现量子霸权，我们需要每年至少增加一倍的量子体积！

量子体积是什么？

IBM 在博客上发布了对System Q One 的几个模型测试结果的概述。

当然，重点的测量指标是“量子体积”，团队还发表了一篇论文，详细描述了这个指标以及如何计算。

在论文中，他们指出，新的度量标准“量化了计算机成功实现的最大宽度和深度相同的随机电路”，并指出它还与错误率密切相关。

除了提供迄今为止最高的量子体积之外，IBM Q System One 的性能还反映了IBM 所测量到的最低错误率，平均2-qubit gate 的错误率小于2%，其最佳gate 的错误率小于1%。

低错误率很重要，因为要想构建功能完备、大规模、通用、容错的量子计算机，需要较长的相干时间和较低的错误率。

量子体积是衡量量子霸权(Quantum Advantage, 又称量子优势) 进展的一个基本性能指标，在这一点上，量子应用程序带来了超越经典计算机本身能力的重大、实际的好处。

接下来，详细阐述“量子体积”的概念和意义。

IBM对Q System One进行了详细的基准测试，并在博客中公布IBM Q Network系统“Tokyo”和“Poughkeepsie”以及公开发布的IBM Q Experience系统“Tenerife”的一些性能数据。

特定量子计算机的性能可以在两个层面上表示：与芯片中基础量子位相关的度量，我们称之为“量子器件”，以及整体系统性能。

下表比较了四个最近的IBM Q系统中量子器件的基本指标：

IBM Q System One的性能可以体现在测得的一些最优性能/最低错误率数字中。平均两个量子比特门误差小于2％，最佳门错误码率小于1％。

IBM的设备基本上受到相干时间的限制，对于IBM Q System One来说平均为73μs。

平均两比特率误差率在相干极限的两倍之内（1.68倍），该极限即由量子位T1和T2设定的理论极限（IBM QSystem One平均为74μs和69μs）。这表明IBM的控件引起的误差非常小，已经接近该器件上最高的量子比特保真度。

量子摩尔定律：为了实现量子优势，量子体积需要每年至少翻一番

为了在本世纪20年代实现量子优势，需要每年至少将“量子体积”增加一倍。

IBM的五量子比特设备Teumife的量子体积是2017年首次通过IBM Q Experience量子云服务提供的，目前的IBM Q 20-量子位的高端设备的量子体积为8。最新结果表明，IBM Q System One性能已经超过16量子体积。自2017年以来，IBM Q团队每年都实现了量子体积的倍增。

下面是一张量子系统开发路线图，以量子体积为衡量标准，量子系统计算力每年增长一倍。

有趣的是，其实可以将上图与Gordon Moore在1965年4月19日提出这张著名的“摩尔定律”图表进行比较：

为了实现0.01％的误差率，需要将相干时间提高到1-5毫秒，这是一个漫长的未来之路，在量子系统中实现这一目标需要克服很多激动人心的挑战。

在制定系统路线图的同时，需要同时研究元器件的基本物理特性，并测量了单个超导传输量子比特T1弛豫时间长达0.5毫秒（500微秒，质量因数为1500万），研究结果表明这些器件不存在基本材料上的限制问题。

虽然“量子体积”可用于表征设备性能，但业界也可以使用其他指标，例如测量设备上的纠缠量子位的方式，从中提取有关系统性能的更多信息。

对于多量子位纠缠，一个简单的衡量标准是n-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）状态的断层摄影（可完全描述未知量子态的相同集合的过程），比如4量子位状态。

首先准备GHZ状态，并通过在不同基础上的各个量子位的投影，重建我们创建的状态。这里的量度指标是可实现的实验状态相对于目标状态的保真度。

状态层析成像对测量误差很敏感，因此如果不具备去除这些误差影响的技术，我们重建的4量子位GHZ状态的保真度为0.66，可以绘制出如下的密度矩阵：

不过，可以通过额外校准测量来确定测量误差的倒数，并对层析成像数据进行测量校正，从而降低这些误差。同样的数据经过校正处理后，保真度提升至0.98。请注意，此值不包括误差线，误差线将包含由于状态准备和测量误差引起的统计噪音和系统噪音。

Qiskit Ignis是一种理解和降低量子电路和器件噪音的框架，也是IBM的开源量子开发套件Qiskit的一部分。Qiskit Ignis中包括测量误差降噪。

降噪后的4比特GHZ状态层析成像，保真度为0.98

我们还对IBM Q System One上的真正纠缠状态进行了初步测量，共有多达18个量子比特纠缠。

这些初步结果，再加上量子体积和降低测量误差技术的改进，以及新的快速高保真量子位测量的成果，将在2019年3月美国物理学会的会议上公布。

量子计算的噪声中间量子（NISQ）时代的到来是一个激动人心的时刻——从硬件，软件到物理学的突破，再到新的量度标准的诞生。要在实用系统上继续改进“量子体积”量度标准，仍需要进一步的研究和应用。IBM计划在纽约Poughkeepsie开设新的量子计算中心，在2019年下半年制造具有相当性能水平的量子计算系统。

1965年，戈登·摩尔曾断言：“集成电子技术的未来是电子产品本身的未来。”而我们现在相信，量子计算的未来将成为计算机本身的未来。

史上最高量子体积的量子计算机，是何方神圣？

IBM Q System One，号称全球首台量子计算一体机，它体积如同大象，算力不敌小手机。

今年1 月，拉斯维加斯CES 展会上，Q System One 首次亮相。

IBM Q System One

它犹如一件艺术品，被安置在一个2.74 米高、2.74 宽的的硼硅玻璃柜中，中间挂着吊灯一般的量子计算核心硬件，由一个闪亮的圆柱形黑色外壳包裹，里面的所有部件都被精妙地隐藏起来。

当然，为了方便维护，玻璃外壳可以使用电机打开。

IBM Q System One 由许多自定义组件组成，这些组件协同工作，可用于最先进的基于云的量子计算程序，包括：

具有稳定性和自动校准能力的量子硬件设计，提供可重复、可预测的高质量量子比特。

制冷工程，提供连续冷却、孤立的量子环境。

紧凑型高精度电子元件，可严格控制大量量子比特。

量子固件，可管理系统运行状况并启用系统升级，无需用户停机。

经典计算能力，提供安全的云访问和量子算法的混合运行。

以及IBM 刚刚公布的，它的“量子体积” 达到了16。

如果明年IBM 如约推出32 量子体积的计算机，又会是何等的高端艺术品呢？

巨头搅局，量子计算竞争白热化

根据BCC Research 的数据，到2022 年，全球量子计算市场的复合年均增长率预计将达到37.3%，产值达到1.61 亿美元左右。再往后，2027 年该市场的年复合增长率将达到53% 左右，产值达到13 亿美元。

这个预测并不夸张。因为，这个领域的竞争正在加剧。

英特尔、微软、谷歌等主要竞争对手正在加入竞争。这些巨头科技公司正不遗余力地将量子计算商业化和民主化，使其进入商用领域。

英特尔最近与Bluefors 和Afore 合作推出了首款量子低温晶圆探针(Cryogenic Wafer Prober)。这种装置可以加速基于硅的量子芯片上量子比特的测试过程。

微软的量子网络也正在成长。作为该公司量子开发工具包的一部分，微软大力推广其“量子友好” 的最新编程语言Q#(Q-sharp)。微软的目标是开发一种通用量子计算机，采用坚固的基于纳米线的硬件结构，具有纠错机制。

以此同时，谷歌在去年7 月发布了名为Cirq 的开源软件工具包，以帮助开发人员测试量子计算算法。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计算机。