「量子體積」概念到底是什麼？不如稱為「量子密度」更貼切

近日召開的 2019 年美國物理學會 3 月會議，IBM 宣布達成新的科學里程碑：迄今為止最高的量子體積（Quantum Volume）。

量子體積是由 IBM 提出的專用指標，官方說法是「用於測量量子電腦的強大程度」。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有用量」，有點類似傳統處理器 IPC（每時鐘週期執行的指令數）概念。也就是說，與其稱為量子體積，不如稱「量子密度」更貼切。

據 IBM 介紹，影響量子體積的因素有很多，包括量子位元數量（Number of Qubits）、設備連接（Device Connectivity）、相干時間（Coherence Time）、閘門和測量誤差（Gate and Measurement Errors）、設備交叉通訊（Device Cross Talk）及電路軟體編譯效率（Circuit Software Compiler Efficiency）等。量子體積越大，量子電腦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、供應鏈優化等都可更完善。

戈登‧摩爾在 1965 年發表了論文《在積體電路容納更多元件》（Cramming more components onto integrated circuits）。論文中，他提出著名的摩爾定律：經典電腦每個積體電路元件的數量將呈指數級增長。

而量子電腦的量子體積，也在 IBM 研發下持續增長。自 IBM Q 系統 2017 年推出以來，也呈現類似的早期增長模式，IBM 每年都達成量子電腦計算能力倍增。IBM 近期推出的 IBM Q System One 量子電腦，搭載第四代 20 量子位元處理器，量子體積高達 16，約是當前 20 量子位元 IBM Q Network 設備的 2 倍（當前設備的量子體積為 8）。

IBM 之前預測，當量子電腦比傳統電腦甚至超級電腦更快、更高效執行某些設計任務，才能形成「量子優勢」，這類實際應用可能還需 10 年時間。這也變相催生並支持另一假設：若要在 2030 年前達到量子優勢，IBM 認為需要每年至少將「量子體積」增加 1 倍。

此外，中國工程院院士許居衍在紀念積體電路發明 60 週年會議指出，量子相互干涉是 21 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，容錯率最高只有 99%，遠不及傳統矽晶片的 99.9999999%。

要構建功能完備、大規模、通用且容錯的量子電腦，除了要盡可能高的量子體積，還要更長的相干時間和更低的錯誤率，以支撐長時間連續運算。此次 IBM Q System One 除了達到迄今為止最高的量子體積，還反映出 IBM 測量到的最低錯誤率，平均 2 量子位元閘門的錯誤率小於 2%，最佳閘門的錯誤率小於 1 %。

量子體積是衡量量子優勢進展的基本性能指標，在這點上，量子應用帶來超越經典電腦能力的實際好處，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 2 次方加速等許多潛在用例。

富比士雜誌在 IBM 公布消息後發文表示，人們現在使用的各種技術，從網路、太空衛星到自動駕駛、5G 及整個物聯網，都必須做好迎接量子因素的準備，它建立在與傳統電腦完全不同的科學基礎上，並帶來截然不同的機遇和挑戰。目前美國國會已通過「國家量子倡議法案」，川普總統簽署了法案，將動員美國國家科學基金會和能源部推動量子技術更多創新。

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 IBM Q 團隊一直在推動達成『讓量子計算為科學和業務帶來真正影響』的目標。儘管我們在量子計算領域已有一些突破，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提升，最終彰顯量子優勢。」

（本文由雷鋒網授權轉載；圖片來源：IBM）