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

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,用于测量量子计算机的强大程度,其影响因素包括门(Gate)和测量误差(Measurement Errors)、设备交叉通信(Device Cross Talk)以及设备连接(Device Connectivity)和电路编译效率(Circuit Complier Efficiency)等。它所遵循的规律是: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。这些复杂问题包括,化学模拟、财务风险建模、供应链优化等。

量子处理能力指数级增长预测

IBM 量子体积增长图

自 2017 年以来,IBM 每年都实现了量子计算机计算能力的倍增。2016 年 5 月,IBM 的量子计算机通过其 IBM Q Experience 量子云服务首次向公众开放。

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是 8。

IBM Q System One

▶决定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(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)

电路软件编译效率(Circuit Software Compiler Efficiency)等

除了达到迄今为止最高的量子体积之外,IBM Q System One 的性能还反映了 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%。要想构建功能完备、大规模、通用且容错的量子计算机,需要较长的相干时间和较低的错误率。

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。为了在本世纪 20 年代获得量子优势,IBM 认为需要每年至少将“量子体积”增加一倍。

量子处理能力指数级增长预测

戈登•摩尔在 1965 年进行的经典计算系统处理能力指数级增长预测

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,戈登·摩尔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。IBM Q 系统自 2017 年推出以来,也呈现出类似的早期增长模式,这也支持了之前的一个假设:若要获得量子优势,量子体积需要每年增加一倍。

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。”

IBM 在 APS 大会上

IBM 院士 Jay Gambetta 博士受邀于3 月 8 日(周五)在APS 上进行了一场主题为“NISQ-Era 量子处理器基准测试”(Benchmarking NISQ-Era Quantum Processors)的演讲,为与会者展示了 IBM Q System One 及其他 IBM Q 系统的基准测试数据,并介绍了量子体积在实现量子优势中的重要性。IBM Q 科学家 Lev Bishop 博士也在 APS 三月会议上进行了主题为“X35.00001:有助于提升 transmon 处理器量子体积的软件和硬件”(X35.00001:Software and Hardware for Improved Quantum Volume of Transmon Processors )的演讲(3 月 8 日),深入地解读了这些基准测试结果。有关 IBM 量子计算机基准测试的更多详情,请参阅 IBM 研究院博客:https://www.research.ibm.com

IBM Q 科学家及其同事的研究成果在 APS 三月会议上通过超过 35 场演讲揭开了神秘面纱。