量子摩爾定律問世！量子體積每年翻番，10年內實現量子霸權

新聞 03-09

新智元報道

來源：IBM

編輯：肖琴、大明

【新智元導讀】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 上亮相的全球首台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，用於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！

量子體積是什麼？

IBM 在博客上發布了對 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」，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，並在博客中公布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。

特定量子計算機的性能可以在兩個層面上表示：與晶元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。平均兩個量子比特門誤差小於2％，最佳門錯誤碼率小於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的控制項引起的誤差非常小，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。

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，並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，可以通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比特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。

量子計算的雜訊中間量子（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開設新的量子計算中心，在2019年下半年製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。」而我們現在相信，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，是何方神聖？

IBM Q System One，號稱全球首台量子計算一體機，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。