「量子體積」概念到底是什麼?不如稱為「量子密度」更為貼切

雷鋒網消息，在近日召開的2019年美國物理學會三月會議上，IBM宣布實現了一個新的科學裡程碑：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，官方說法是「用於測量量子計算機的強大程度」的指標。不過，雷鋒網在詳細了解之後發現，量子體積的具體含義是指「設備在給定的空間和時間內完成的量子計算的有用量」，倒是有些類似於傳統處理器中IPC（每時鐘周期執行的指令數）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IBM介紹，影響量子體積的因素有很多，包括量子比特數量（Number of Qubits）、設備連接（Device Connectivity）、相干時間（Coherence Time）、門和測量誤差（Gate and Measurement Errors）、設備交叉通信（Device Cross Talk）以及電路軟體編譯效率（Circuit Software Compiler Efficiency）等。量子體積越大，量子計算機可能解決的實際複雜問題就越多，諸如化學模擬、財務風險建模、供應鏈優化等都可藉此更為完善。

戈登·摩爾在1965年發表了論文「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：經典計算機每個集成電路上元器件的數量將會呈指數級增長。

而量子計算機的量子體積，也在IBM的研發下持續增長。自IBM Q系統2017年推出以來，也呈現出類似的早期增長模式，IBM每年都實現了量子計算機計算能力的倍增。IBM近期推出的IBM Q System One量子計算機，搭載第四代20量子比特處理器，其量子體積高達16，大約是當前20量子比特IBM Q Network設備的兩倍（當前設備的量子體積為8）。

IBM此前曾預測，當量子計算機能夠比傳統計算機甚至超級計算機更快、更高效的執行某些設計任務是，才能形成「量子優勢」，這樣的實際應用可能還需要十年時間。這也變相催生並支持了另一個假設：若要在2030年前實現量子優勢，IBM認為需要每年至少將「量子體積」增加一倍。

此外，中國工程院院士許居衍在紀念集成電路發明60周年會議上曾指出，量子的相互幹渉是本世紀27個重大問題之一，量子計算目前只能做到毫秒級連續計算，其容錯率最高只有99%，遠不及傳統矽晶片的99.9999999%。

要想構建功能完備、大規模、通用且容錯的量子計算機，除了需要儘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運算。此次IBM Q System One除了達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於2%，其最佳門的錯誤率小於1%。

量子體積是衡量量子優勢進展的一個基本性能指標，在這一點上，量子應用帶來了超越經典計算機能力的實際好處，意義重大。IBM Q Network的合作夥伴已開始研究準確模擬電動車電池化學組成、金融衍生品定價二次方加速等許多潛在用例。

福布斯雜誌在IBM公布該消息後發文表示，人們現在所使用的各種技術，從網絡和太空衛星到自動駕駛、5G，以及整個物聯網，都必須做好迎接量子因素的準備，它建立在與傳統計算機完全不同的科學基礎上，並帶來截然不同的機遇和挑戰。雷鋒網了解到，目前美國國會已經通過了《國家量子倡議法案》，川普總統籤署了法案，該法案將動員美國國家科學基金會和能源部推動量子技術的更多創新。

IBM研究院專門負責量子驗證的IBM Q量子性能團隊主管Sarah Sheldon博士表示：「目前，我們正在建立量子計算路線圖，因為我們的IBM Q團隊一直在推動實現『讓量子計算為科學和業務帶來真正的影響』這一目標。儘管我們在量子計算領域已經實現了一些科學突破，也在研究一些早期用例，但我們的目標是繼續推動量子體積的提升，最終彰顯量子優勢。」