“量子體積”概念到底是什么？不如稱為“量子密度”更為貼切

雷鋒網(wǎng)消息，在近日召開的2019年美國物理學(xué)會三月會議上，IBM宣布實(shí)現(xiàn)了一個新的科學(xué)里程碑：迄今為止最高的量子體積（Quantum Volume）。

量子體積是由IBM提出的一個專用指標(biāo)，官方說法是“用于測量量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大程度”的指標(biāo)。不過，雷鋒網(wǎng)在詳細(xì)了解之后發(fā)現(xiàn)，量子體積的具體含義是指“設(shè)備在給定的空間和時間內(nèi)完成的量子計(jì)算的有用量”，倒是有些類似于傳統(tǒng)處理器中IPC（每時鐘周期執(zhí)行的指令數(shù)）的概念。也就是說，與其稱之為量子體積，不如稱為“量子密度”更為貼切。

據(jù)IBM介紹，影響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（Device Connectivity）、相干時間（Coherence Time）、門和測量誤差（Gate and Measurement Errors）、設(shè)備交叉通信（Device Cross Talk）以及電路軟件編譯效率（Circuit Software Compiler Efficiency）等。量子體積越大，量子計(jì)算機(jī)可能解決的實(shí)際復(fù)雜問題就越多，諸如化學(xué)模擬、財(cái)務(wù)風(fēng)險建模、供應(yīng)鏈優(yōu)化等都可借此更為完善。

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，他提出了著名的摩爾定律：經(jīng)典計(jì)算機(jī)每個集成電路上元器件的數(shù)量將會呈指數(shù)級增長。

而量子計(jì)算機(jī)的量子體積，也在IBM的研發(fā)下持續(xù)增長。自IBM Q系統(tǒng)2017年推出以來，也呈現(xiàn)出類似的早期增長模式，IBM每年都實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的倍增。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)備的量子體積為8）。

IBM此前曾預(yù)測，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)能夠比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)甚至超級計(jì)算機(jī)更快、更高效的執(zhí)行某些設(shè)計(jì)任務(wù)是，才能形成“量子優(yōu)勢”，這樣的實(shí)際應(yīng)用可能還需要十年時間。這也變相催生并支持了另一個假設(shè)：若要在2030年前實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢，IBM認(rèn)為需要每年至少將“量子體積”增加一倍。

此外，中國工程院院士許居衍在紀(jì)念集成電路發(fā)明60周年會議上曾指出，量子的相互干渉是本世紀(jì)27個重大問題之一，量子計(jì)算目前只能做到毫秒級連續(xù)計(jì)算，其容錯率最高只有99%，遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)硅芯片的99.9999999%。

要想構(gòu)建功能完備、大規(guī)模、通用且容錯的量子計(jì)算機(jī)，除了需要盡可能高的量子體積之外，還需要更長的相干時間和更低的錯誤率，以支撐長時間的連續(xù)運(yùn)算。此次IBM Q System One除了達(dá)到迄今為止最高的量子體積之外，還反映了IBM所測量到的最低錯誤率，平均2量子比特門的錯誤率小于2%，其最佳門的錯誤率小于1%。

量子體積是衡量量子優(yōu)勢進(jìn)展的一個基本性能指標(biāo)，在這一點(diǎn)上，量子應(yīng)用帶來了超越經(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)確模擬電動車電池化學(xué)組成、金融衍生品定價二次方加速等許多潛在用例。

福布斯雜志在IBM公布該消息后發(fā)文表示，人們現(xiàn)在所使用的各種技術(shù)，從網(wǎng)絡(luò)和太空衛(wèi)星到自動駕駛、5G，以及整個物聯(lián)網(wǎng)，都必須做好迎接量子因素的準(zhǔn)備，它建立在與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)完全不同的科學(xué)基礎(chǔ)上，并帶來截然不同的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。雷鋒網(wǎng)了解到，目前美國國會已經(jīng)通過了《國家量子倡議法案》，特朗普總統(tǒng)簽署了法案，該法案將動員美國國家科學(xué)基金會和能源部推動量子技術(shù)的更多創(chuàng)新。

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)槲覀兊腎BM Q團(tuán)隊(duì)一直在推動實(shí)現(xiàn)‘讓量子計(jì)算為科學(xué)和業(yè)務(wù)帶來真正的影響’這一目標(biāo)。盡管我們在量子計(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)推動量子體積的提升，最終彰顯量子優(yōu)勢。”

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