IBM提出量子摩爾定律：量子體積每年增加一倍，IBM將實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)

IBM上周宣布量子計(jì)算新里程碑：迄今為止最高的量子體積。與此同時(shí)，IBM發(fā)布了量子性能的“摩爾定律”，宣布其“量子霸權(quán)”時(shí)間表：為了在10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，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(guó)物理學(xué)會(huì)三月會(huì)議上，IBM拋出了這個(gè)概念。

在這次會(huì)議上，IBM 宣布它最新型的量子計(jì)算機(jī)、今年 1 月在 CES 上亮相的全球首臺(tái)商用量子計(jì)算一體機(jī)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(gè)專用性能指標(biāo)，用于測(cè)量量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大程度，其影響因素包括量子比特?cái)?shù)、門和測(cè)量誤差、設(shè)備交叉通信、以及設(shè)備連接和電路編譯效率等。

因此，量子體積越大，量子計(jì)算機(jī)的性能就越強(qiáng)大，能夠解決的實(shí)際問題就越多。

重要的是，IBM 發(fā)現(xiàn)量子體積遵循一種 “摩爾定律”：其量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的量子體積，每年增加一倍：

2017 年 IBM 的 Tenerife 設(shè)備 (5-qubit) 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 4 量子體積；

2018 年的 IBM Q 設(shè)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(dá)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(chuàng)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(shù)目，約每隔兩年便會(huì)增加一倍

IBM還制定了一個(gè)雄心勃勃的時(shí)間表：為了在 2020 年代實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，需要每年至少增加一倍的量子體積！

量子體積是什么

IBM 在博客上發(fā)布了對(duì) System Q One 的幾個(gè)模型測(cè)試結(jié)果的概述。

當(dāng)然，重點(diǎn)的測(cè)量指標(biāo)是 “量子體積”，團(tuán)隊(duì)還發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)描述了這個(gè)指標(biāo)以及如何計(jì)算。

在論文中，他們指出，新的度量標(biāo)準(zhǔn) “量化了計(jì)算機(jī)成功實(shí)現(xiàn)的最大寬度和深度相同的隨機(jī)電路”，并指出它還與錯(cuò)誤率密切相關(guān)。

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(cè)量到的最低錯(cuò)誤率，平均 2-qubit gate 的錯(cuò)誤率小于 2%，其最佳 gate 的錯(cuò)誤率小于1%。

低錯(cuò)誤率很重要，因?yàn)橐霕?gòu)建功能完備、大規(guī)模、通用、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霸權(quán) (Quantum Advantage, 又稱量子優(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)用程序帶來了超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)本身能力的重大、實(shí)際的好處。

接下來，詳細(xì)闡述“量子體積”的概念和意義。

IBM對(duì) Q System One進(jìn)行了詳細(xì)的基準(zhǔn)測(cè)試，并在博客中公布IBM Q Network系統(tǒng)“Tokyo”和“Poughkeepsie”以及公開發(fā)布的IBM Q Experience系統(tǒng)“Tenerife”的一些性能數(shù)據(jù)。

特定量子計(jì)算機(jī)的性能可以在兩個(gè)層面上表示：與芯片中基礎(chǔ)量子位相關(guān)的度量，我們稱之為“量子器件”，以及整體系統(tǒng)性能。

下表比較了四個(gè)最近的IBM Q系統(tǒng)中量子器件的基本指標(biāo)：

IBM Q System One的性能可以體現(xiàn)在測(cè)得的一些最優(yōu)性能/最低錯(cuò)誤率數(shù)字中。平均兩個(gè)量子比特門誤差小于2％，最佳門錯(cuò)誤碼率小于1％。

IBM的設(shè)備基本上受到相干時(shí)間的限制，對(duì)于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(nèi)（1.68倍），該極限即由量子位T1和T2設(shè)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(jīng)接近該器件上最高的量子比特保真度。

量子摩爾定律

為了在本世紀(jì)20年代實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)，需要每年至少將“量子體積”增加一倍。

IBM的五量子比特設(shè)備Teumife的量子體積是2017年首次通過IBM Q Experience量子云服務(wù)提供的，目前的IBM Q 20-量子位的高端設(shè)備的量子體積為8。最新結(jié)果表明，IBM Q System One性能已經(jīng)超過16量子體積。自2017年以來，IBM Q團(tuán)隊(duì)每年都實(shí)現(xiàn)了量子體積的倍增。

下面是一張量子系統(tǒng)開發(fā)路線圖，以量子體積為衡量標(biāo)準(zhǔn)，量子系統(tǒng)計(jì)算力每年增長(zhǎng)一倍。

有趣的是，其實(shí)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(jìn)行比較：

為了實(shí)現(xiàn)0.01％的誤差率，需要將相干時(shí)間提高到1-5毫秒，這是一個(gè)漫長(zhǎng)的未來之路，在量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要克服很多激動(dòng)人心的挑戰(zhàn)。

在制定系統(tǒng)路線圖的同時(shí)，需要同時(shí)研究元器件的基本物理特性，并測(cè)量了單個(gè)超導(dǎo)傳輸量子比特T1弛豫時(shí)間長(zhǎng)達(dá)0.5毫秒（500微秒，質(zhì)量因數(shù)為1500萬），研究結(jié)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”可用于表征設(shè)備性能，但業(yè)界也可以使用其他指標(biāo)，例如測(cè)量設(shè)備上的糾纏量子位的方式，從中提取有關(guān)系統(tǒng)性能的更多信息。

對(duì)于多量子位糾纏，一個(gè)簡(jiǎn)單的衡量標(biāo)準(zhǔn)是n-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）狀態(tài)的斷層攝影（可完全描述未知量子態(tài)的相同集合的過程），比如4量子位狀態(tài)。

首先準(zhǔn)備GHZ狀態(tài)，并通過在不同基礎(chǔ)上的各個(gè)量子位的投影，重建我們創(chuàng)建的狀態(tài)。這里的量度指標(biāo)是可實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)相對(duì)于目標(biāo)狀態(tài)的保真度。

狀態(tài)層析成像對(duì)測(cè)量誤差很敏感，因此如果不具備去除這些誤差影響的技術(shù)，我們重建的4量子位 GHZ狀態(tài)的保真度為0.66，可以繪制出如下的密度矩陣：

不過，可以通過額外校準(zhǔn)測(cè)量來確定測(cè)量誤差的倒數(shù)，并對(duì)層析成像數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量校正，從而降低這些誤差。同樣的數(shù)據(jù)經(jīng)過校正處理后，保真度提升至0.98。請(qǐng)注意，此值不包括誤差線，誤差線將包含由于狀態(tài)準(zhǔn)備和測(cè)量誤差引起的統(tǒng)計(jì)噪音和系統(tǒng)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(fā)套件Qiskit的一部分。Qiskit Ignis中包括測(cè)量誤差降噪。

降噪后的4比特GHZ狀態(tài)層析成像，保真度為0.98

我們還對(duì)IBM Q System One上的真正糾纏狀態(tài)進(jìn)行了初步測(cè)量，共有多達(dá)18個(gè)量子比特糾纏。

這些初步結(jié)果，再加上量子體積和降低測(cè)量誤差技術(shù)的改進(jìn)，以及新的快速高保真量子位測(cè)量的成果，將在2019年3月美國(guó)物理學(xué)會(huì)的會(huì)議上公布。

量子計(jì)算的噪聲中間量子（NISQ）時(shí)代的到來是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻——從硬件，軟件到物理學(xué)的突破，再到新的量度標(biāo)準(zhǔn)的誕生。要在實(shí)用系統(tǒng)上繼續(xù)改進(jìn)“量子體積”量度標(biāo)準(zhǔn)，仍需要進(jìn)一步的研究和應(yīng)用。IBM計(jì)劃在紐約Poughkeepsie開設(shè)新的量子計(jì)算中心，在2019年下半年制造具有相當(dāng)性能水平的量子計(jì)算系統(tǒng)。

史上最高量子體積

IBM Q System One，號(hào)稱全球首臺(tái)量子計(jì)算一體機(jī)，它體積如同大象，算力不敵小手機(jī)。

今年 1 月，拉斯維加斯 CES 展會(huì)上，Q System One 首次亮相。

IBM Q System One

它猶如一件藝術(shù)品，被安置在一個(gè) 2.74 米高、2.74 寬的的硼硅玻璃柜中，中間掛著吊燈一般的量子計(jì)算核心硬件，由一個(gè)閃亮的圓柱形黑色外殼包裹，里面的所有部件都被精妙地隱藏起來。

當(dāng)然，為了方便維護(hù)，玻璃外殼可以使用電機(jī)打開。

IBM Q System One 由許多自定義組件組成，這些組件協(xié)同工作，可用于最先進(jìn)的基于云的量子計(jì)算程序，包括：

具有穩(wěn)定性和自動(dòng)校準(zhǔn)能力的量子硬件設(shè)計(jì)，提供可重復(fù)、可預(yù)測(cè)的高質(zhì)量量子比特。

制冷工程，提供連續(xù)冷卻、孤立的量子環(huán)境。

緊湊型高精度電子元件，可嚴(yán)格控制大量量子比特。

量子固件，可管理系統(tǒng)運(yùn)行狀況并啟用系統(tǒng)升級(jí)，無需用戶停機(jī)。

經(jīng)典計(jì)算能力，提供安全的云訪問和量子算法的混合運(yùn)行。

以及 IBM 剛剛公布的，它的 “量子體積” 達(dá)到了 16。

如果明年 IBM 如約推出 32 量子體積的計(jì)算機(jī)，又會(huì)是何等的高端藝術(shù)品呢？

量子計(jì)算競(jìng)爭(zhēng)白熱化

根據(jù) BCC Research 的數(shù)據(jù)，到 2022 年，全球量子計(jì)算市場(chǎng)的復(fù)合年均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將達(dá)到 37.3%，產(chǎn)值達(dá)到 1.61 億美元左右。再往后，2027 年該市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 53% 左右，產(chǎn)值達(dá)到 13 億美元。

這個(gè)預(yù)測(cè)并不夸張。因?yàn)?，這個(gè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)正在加劇。

英特爾、微軟、谷歌等主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手正在加入競(jìng)爭(zhēng)。這些巨頭科技公司正不遺余力地將量子計(jì)算商業(yè)化和民主化，使其進(jìn)入商用領(lǐng)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于硅的量子芯片上量子比特的測(cè)試過程。

微軟的量子網(wǎng)絡(luò)也正在成長(zhǎng)。作為該公司量子開發(fā)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(biāo)是開發(fā)一種通用量子計(jì)算機(jī)，采用堅(jiān)固的基于納米線的硬件結(jié)構(gòu)，具有糾錯(cuò)機(jī)制。

以此同時(shí)，谷歌在去年 7 月發(fā)布了名為 Cirq 的開源軟件工具包，以幫助開發(fā)人員測(cè)試量子計(jì)算算法。此外，在去年 3 月，谷歌宣布推出 Bristlecone，一臺(tái) 72 量子比特的通用量子計(jì)算機(jī)。