“量子体积”概念到底是什么？不如称为“量子密度”更为贴切

雷锋网消息，在近日召开的2019年美国物理学会三月会议上，IBM宣布实现了一个新的科学里程碑：迄今为止最高的量子体积（Quantum Volume）。

量子体积是由IBM提出的一个专用指标，官方说法是“用于测量量子计算机的强大程度”的指标。不过，雷锋网在详细了解之后发现，量子体积的具体含义是指“设备在给定的空间和时间内完成的量子计算的有用量”，倒是有些类似于传统处理器中IPC（每时钟周期执行的指令数）的概念。也就是说，与其称之为量子体积，不如称为“量子密度”更为贴切。

据IBM介绍，影响量子体积的因素有很多，包括量子比特数量（Number of Qubits）、设备连接（Device Connectivity）、相干时间（Coherence Time）、门和测量误差（Gate and Measurement Errors）、设备交叉通信（Device Cross Talk）以及电路软件编译效率（Circuit Software Compiler Efficiency）等。量子体积越大，量子计算机可能解决的实际复杂问题就越多，诸如化学模拟、财务风险建模、供应链优化等都可借此更为完善。

戈登·摩尔在1965年发表了论文“在集成电路中容纳更多的元器件（Cramming more components onto integrated circuits）”。在这篇论文中，他提出了著名的摩尔定律：经典计算机每个集成电路上元器件的数量将会呈指数级增长。

而量子计算机的量子体积，也在IBM的研发下持续增长。自IBM Q系统2017年推出以来，也呈现出类似的早期增长模式，IBM每年都实现了量子计算机计算能力的倍增。IBM近期推出的IBM Q System One量子计算机，搭载第四代20量子比特处理器，其量子体积高达16，大约是当前20量子比特IBM Q Network设备的两倍（当前设备的量子体积为8）。

IBM此前曾预测，当量子计算机能够比传统计算机甚至超级计算机更快、更高效的执行某些设计任务是，才能形成“量子优势”，这样的实际应用可能还需要十年时间。这也变相催生并支持了另一个假设：若要在2030年前实现量子优势，IBM认为需要每年至少将“量子体积”增加一倍。

此外，中国工程院院士许居衍在纪念集成电路发明60周年会议上曾指出，量子的相互干渉是本世纪27个重大问题之一，量子计算目前只能做到毫秒级连续计算，其容错率最高只有99%，远不及传统硅芯片的99.9999999%。

要想构建功能完备、大规模、通用且容错的量子计算机，除了需要尽可能高的量子体积之外，还需要更长的相干时间和更低的错误率，以支撑长时间的连续运算。此次IBM Q System One除了达到迄今为止最高的量子体积之外，还反映了IBM所测量到的最低错误率，平均2量子比特门的错误率小于2%，其最佳门的错误率小于1%。

量子体积是衡量量子优势进展的一个基本性能指标，在这一点上，量子应用带来了超越经典计算机能力的实际好处，意义重大。IBM Q Network的合作伙伴已开始研究准确模拟电动车电池化学组成、金融衍生品定价二次方加速等许多潜在用例。

福布斯杂志在IBM公布该消息后发文表示，人们现在所使用的各种技术，从网络和太空卫星到自动驾驶、5G，以及整个物联网，都必须做好迎接量子因素的准备，它建立在与传统计算机完全不同的科学基础上，并带来截然不同的机遇和挑战。雷锋网了解到，目前美国国会已经通过了《国家量子倡议法案》，特朗普总统签署了法案，该法案将动员美国国家科学基金会和能源部推动量子技术的更多创新。

IBM研究院专门负责量子验证的IBM Q量子性能团队主管Sarah Sheldon博士表示：“目前，我们正在建立量子计算路线图，因为我们的IBM Q团队一直在推动实现‘让量子计算为科学和业务带来真正的影响’这一目标。尽管我们在量子计算领域已经实现了一些科学突破，也在研究一些早期用例，但我们的目标是继续推动量子体积的提升，最终彰显量子优势。”