近日召开的 2019 年美国物理学会 3 月会议，IBM 宣布达成新的科学里程碑：迄今为止最高的量子体积（Quantum Volume）。
量子体积是由 IBM 提出的专用指标，官方说法是“用于测量量子电脑的强大程度”。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有用量”，有点类似传统处理器 IPC（每时钟周期执行的指令数）概念。也就是说，与其称为量子体积，不如称“量子密度”更贴切。
据 IBM 介绍，影响量子体积的因素有很多，包括量子位元数量（Number of Qubits）、设备连接（Device Connectivity）、相干时间（Coherence Time）、闸门和测量误差（Gate and Measurement Errors）、设备交叉通讯（Device Cross Talk）及电路软件编译效率（Circuit Software Compiler Efficiency）等。量子体积越大，量子电脑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、供应链优化等都可更完善。
戈登‧摩尔在 1965 年发表了论文《在积体电路容纳更多元件》（Cramming more components onto integrated circuits）。论文中，他提出著名的摩尔定律：经典电脑每个积体电路元件的数量将呈指数级增长。
而量子电脑的量子体积，也在 IBM 研发下持续增长。自 IBM Q 系统 2017 年推出以来，也呈现类似的早期增长模式，IBM 每年都达成量子电脑计算能力倍增。IBM 近期推出的 IBM Q System One 量子电脑，搭载第四代 20 量子位元处理器，量子体积高达 16，约是当前 20 量子位元 IBM Q Network 设备的 2 倍（当前设备的量子体积为 8）。
IBM 之前预测，当量子电脑比传统电脑甚至超级电脑更快、更高效执行某些设计任务，才能形成“量子优势”，这类实际应用可能还需 10 年时间。这也变相催生并支持另一假设：若要在 2030 年前达到量子优势，IBM 认为需要每年至少将“量子体积”增加 1 倍。
此外，中国工程院院士许居衍在纪念积体电路发明 60 周年会议指出，量子相互干涉是 21 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，容错率最高只有 99%，远不及传统硅芯片的 99.9999999%。
要构建功能完备、大规模、通用且容错的量子电脑，除了要尽可能高的量子体积，还要更长的相干时间和更低的错误率，以支撑长时间连续运算。此次 IBM Q System One 除了达到迄今为止最高的量子体积，还反映出 IBM 测量到的最低错误率，平均 2 量子位元闸门的错误率小于 2%，最佳闸门的错误率小于 1 %。
量子体积是衡量量子优势进展的基本性能指标，在这点上，量子应用带来超越经典电脑能力的实际好处，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 2 次方加速等许多潜在用例。
富比士杂志在 IBM 公布消息后发文表示，人们现在使用的各种技术，从网络、太空卫星到自动驾驶、5G 及整个物联网，都必须做好迎接量子因素的准备，它建立在与传统电脑完全不同的科学基础上，并带来截然不同的机遇和挑战。目前美国国会已通过“国家量子倡议法案”，川普总统签署了法案，将动员美国国家科学基金会和能源部推动量子技术更多创新。
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 IBM Q 团队一直在推动达成‘让量子计算为科学和业务带来真正影响’的目标。尽管我们在量子计算领域已有一些突破，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提升，最终彰显量子优势。”
（本文由 雷锋网 授权转载；图片来源：IBM）
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