「量子體積」概念到底是什麼?不如稱為「量子密度」更貼切

作者 | 發布日期 2019 年 03 月 19 日 8:30 | 分類 尖端科技 , 電腦 follow us in feedly

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

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