IBM提出量子摩尔定律：性能每年翻一番

  【天极网DIY硬件频道】受制于物理极限，半导体微缩技术在最近几年已经变得越来越难。在半导体渐至极限之后，量子计算重新回到大众的视野当中，英特尔和IBM这两年持续持续更新量子计算机的最新进程。英特尔在3月初公布了用于量子比特收集的“低温晶圆探针”，能提升量子数据的收集。

  IBM则在2019 年美国物理学会三月会议上宣布迄今为止最高的量子体积，同时发布量子性能的“摩尔定律”，宣布“量子霸权”的到来。按照IBM公布的“量子计算摩尔定律”，量子体积每年将至少增加一倍。

  IBM在2017年的Tenerife设备(5-qubit) 已经实现了4 量子体积;2018年的IBM Q(20-qubit)的量子体积为8;2019 年最新推出的IBM Q System One(20-qubit)设备的量子体积达到16，IBM从2017年以来，实现了量子体积每年翻了一番。IBM为了2020年实现量子霸权，发现并提出与半导体的“摩尔定律”非常相似的“量子计算摩尔定律”，量子计算机实现的量子体积每年将增加一倍。

  为了在10年内实现量子霸权，IBM在本次会议上提出一个专用性能指标——量子体积(Quantum Volume)。量子体积是衡量量子霸权(Quantum Advantage, 又称量子优势) 进展的一个基本性能指标，其影响因素包括量子比特数、门和测量误差、设备交叉通信、以及设备连接和电路编译效率等。

  量子应用程序能够为量子计算机带来超越传统计算机能力的重大突破。IBM还详细阐述“量子体积”的概念和意义，量子体积越大，量子计算机的性能就越强大，能够解决的实际问题就越多。特定量子计算机的性能可以在两个层面上表示：第一是与芯片中基础量子位相关的度量“量子器件”;第二是整个量子计算机系统性能。

  IBM通过比较Q System One量子器件的基本指标，展示量子体积在测试中的性能。

  IBM 平均两个量子比特门误差小于2%，最佳门错误码率小于1%;平均受到相干时间的限制为73μs;平均两比特率误差率在相干极限的两倍(1.68倍)之内，该极限即由量子位T1和T2设定的理论极限(IBM QSystem One平均为74μs和69μs)。

  IBM的Q System One的性能可以体现在最优性能/最低错误率数字中，控件引起的误差非常小，已经接近最高量子比特的保真度。

  IBM在博客上发表了一篇论文，并公布IBM Q Network系统“Tokyo”和“Poughkeepsie”，同时公开IBM Q Experience系统“Tenerife”的性能数据。通过System Q One的几个模型测试结果的概述，详细描述了如何测试“量子体积”的指标，和这个指标如何计算。IBM在论文中指出，新的度量标准“量化了计算机成功实现的最大宽度和深度相同的随机电路”，并指出它还与错误率密切相关。

  IBM的System One除了提供目前最高的量子体积之外，IBM测量到平均2-qubit gate的错误率小于2%，也是目前量子计算机中最低的错误率，其最佳gate的错误率小于1%。低错误率对于量子计算机来说非常重要，因为要想构建功能完备、大规模、通用、容错的量子计算机，需要较长的相干时间和较低的错误率。

  图4

  为了在2020年代实现量子优势，IBM提出的量子摩尔定律明确表示，量子体积每年将至少增加一倍。为IBM Q Experience量子云服务提供的五量子比特设备Teumife在2017年实现了4量子体积，2018年的Q 20为8量子体积，2019年的Q System One则达到16量子体积，已经实现了每年翻一番的目标。

 IBM的量子摩尔定律

 半导体摩尔定律

  通过对比Gordon Moore在1965年4月19日提出的“摩尔定律”和IBM最新的“量子摩尔定律”，可以发现两者非常多的相似之处。

  IBM的量子系统为了实现0.01%的误差率，需要将相干时间提高到1-5毫秒，但实现这一目标需要克服很多挑战。在制定系统路线图时，需要研究元器件的基本物理特性，并测量单个超导传输量子比特T1弛豫时间长达0.5毫秒(500微秒，质量因数为1500万)。研究结果表明这些器件不存在基本材料上的限制问题。

  IBM提出的“量子体积”概念可以作为标示设备性能的指标，但业界同样可以设置一个新的性能标准来取代，例如从测量设备上提取有关系统性能的纠缠量子位就可以作为性能标准。

 GHZ创建前

 GHZ创建后

  多量子位纠缠是一个简单的衡量标准，其通过n-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)状态的断层摄影，在不同基础上的各个量子位的投影，重新创建系统创状态。可完全描述未知量子态的相同集合过程，实现的实验状态相对于目标状态的保真度。

  多量子位纠缠的状态层析成像对测量误差很敏感，如果不去除误差带来的技术影响，在4量子位GHZ状态的保真度为0.66。但是通过额外校准测量来确定误差的倒数，并对层析成像数据进行测量校正，保真度提升至0.98。但这些误差值不包括误差线，误差线将包含由于状态准备和测量误差引起的统计噪音和系统噪音。Qiskit Ignis的主要走勇士测量误差和降噪，是一种理解、降低量子电路和器件噪音的框架，也是IBM的开源量子开发套件Qiskit的一部分。

  IBM Q System One上的真正纠缠状态的初步测量中发现，该系统共有18个量子比特纠缠。

  戈登·摩尔曾在1965年断言：“集成电子技术的未来是电子产品本身的未来。”而IBM现在相信，量子计算的未来将成为计算机本身的未来。