量子摩尔定律问世，量子体积每年翻番，10年内实现量子霸权
量子摩尔定律来了！
在近日召开的2019年美国物理学会三月会议上，IBM抛出了这个概念。
在这次会议上，IBM宣布它最新型的量子计算机、今年1月在CES上亮相的全球首台商用量子计算一体机IBM Q System One提供了迄今为止最高的量子体积。
量子体积(Quantum Volume)是IBM提出的一个专用性能指标，用于测量量子计算机的强大程度，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。
因此，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。
重要的是，IBM发现量子体积遵循一种摩尔定律：其量子计算机实现的量子体积，每年增加一倍：
2017年IBM的Tenerife设备(5-qubit)已经实现了4量子体积；
2018年的IBM Q设备(20-qubit)，其量子体积是8；
2019年最新推出的IBM Q System One(20-qubit)，量子体积达到16.
这种倍增与摩尔定律非常相似。摩尔定律由英特尔创始人之一的戈登 摩尔提出，即：
IBM还制定了一个雄心勃勃的时间表：为了在 2020年代实现量子霸权，我们需要每年至少增加一倍的量子体积！
量子体积是什么？
IBM在博客上发布了对System Q One的几个模型测试结果的概述。
当然，重点的测量指标是量子体积，团队还发表了一篇论文，详细描述了这个指标以及如何计算。
在论文中，他们指出，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。
除了提供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-qubit gate的错误率小于2%，其最佳gate的错误率小于1%。
低错误率很重要，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。
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，在这一点上，量子应用程序带来了超越经典计算机本身能力的重大、实际的好处。
接下来，详细阐述量子体积的概念和意义。
IBM对 Q System One进行了详细的基准测试，并在博客中公布IBM Q Network系统Tokyo和Poughkeepsie以及公开发布的IBM Q Experience系统Tenerife的一些性能数据。
特定量子计算机的性能可以在两个层面上表示：与芯片中基础量子位相关的度量，我们称之为量子器件，以及整体系统性能。
IBM Q System One的性能可以体现在测得的一些最优性能/最低错误率数字中。平均两个量子比特门误差小于2％，最佳门错误码率小于1％。
IBM的设备基本上受到相干时间的限制，对于IBM Q System One来说平均为73μs。
平均两比特率误差率在相干极限的两倍之内（1.68倍），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）。这表明IBM的控件引起的误差非常小，已经接近该器件上最高的量子比特保真度。
量子摩尔定律 ：为了实现量子优势，量子体积需要每年至少翻一番
为了在本世纪20年代实现量子优势，需要每年至少将量子体积增加一倍。
IBM的五量子比特设备Teumife的量子体积是2017年首次通过IBM Q Experience量子云服务提供的，目前的IBM Q 20-量子位的高端设备的量子体积为8。最新结果表明，IBM Q System One性能已经超过16量子体积。自2017年以来，IBM Q团队每年都实现了量子体积的倍增。
下面是一张量子系统开发路线图，以量子体积为衡量标准，量子系统计算力每年增长一倍。
有趣的是，其实可以将上图与Gordon Moore在1965年4月19日提出这张著名的摩尔定律图表进行比较：
为了实现0.01％的误差率，需要将相干时间提高到1-5毫秒，这是一个漫长的未来之路，在量子系统中实现这一目标需要克服很多激动人心的挑战。
在制定系统路线图的同时，需要同时研究元器件的基本物理特性，并测量了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。
虽然量子体积可用于表征设备性能，但业界也可以使用其他指标，例如测量设备上的纠缠量子位的方式，从中提取有关系统性能的更多信息。
对于多量子位纠缠，一个简单的衡量标准是n-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）状态的断层摄影（可完全描述未知量子态的相同集合的过程），比如4量子位状态。
首先准备GHZ状态，并通过在不同基础上的各个量子位的投影，重建我们创建的状态。这里的量度指标是可实现的实验状态相对于目标状态的保真度。
状态层析成像对测量误差很敏感，因此如果不具备去除这些误差影响的技术，我们重建的4量子位 GHZ状态的保真度为0.66，可以绘制出如下的密度矩阵：
不过，可以通过额外校准测量来确定测量误差的倒数，并对层析成像数据进行测量校正，从而降低这些误差。同样的数据经过校正处理后，保真度提升至0.98。请注意，此值不包括误差线，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是一种理解和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。Qiskit Ignis中包括测量误差降噪。
降噪后的4比特GHZ状态层析成像，保真度为0.98
我们还对IBM Q System One上的真正纠缠状态进行了初步测量，共有多达18个量子比特纠缠。
这些初步结果，再加上量子体积和降低测量误差技术的改进，以及新的快速高保真量子位测量的成果，将在2019年3月美国物理学会的会议上公布。
量子计算的噪声中间量子（NISQ）时代的到来是一个激动人心的时刻从硬件，软件到物理学的突破，再到新的量度标准的诞生。要在实用系统上继续改进量子体积量度标准，仍需要进一步的研究和应用。IBM计划在纽约Poughkeepsie开设新的量子计算中心，在2019年下半年制造具有相当性能水平的量子计算系统。
1965年，戈登摩尔曾断言：集成电子技术的未来是电子产品本身的未来。而我们现在相信，量子计算的未来将成为计算机本身的未来。
IBM Q System One，号称全球首台量子计算一体机，它体积如同大象，算力不敌小手机。
今年1月，拉斯维加斯CES展会上，Q System One首次亮相。
IBM Q System One
它犹如一件艺术品，被安置在一个2.74米高、2.74宽的的硼硅玻璃柜中，中间挂着吊灯一般的量子计算核心硬件，由一个闪亮的圆柱形黑色外壳包裹，里面的所有部件都被精妙地隐藏起来。
当然，为了方便维护，玻璃外壳可以使用电机打开。
IBM Q System One由许多自定义组件组成，这些组件协同工作，可用于最先进的基于云的量子计算程序，包括：
如果明年IBM如约推出32量子体积的计算机，又会是何等的高端艺术品呢？
巨头搅局，量子计算竞争白热化
根据BCC Research的数据，到2022年，全球量子计算市场的复合年均增长率预计将达到37.3%，产值达到1.61亿美元左右。再往后，2027年该市场的年复合增长率将达到53%左右，产值达到13亿美元。
这个预测并不夸张。因为，这个领域的竞争正在加剧。
英特尔、微软、谷歌等主要竞争对手正在加入竞争。这些巨头科技公司正不遗余力地将量子计算商业化和民主化，使其进入商用领域。
英特尔最近与Bluefors和Afore合作推出了首款量子低温晶圆探针(Cryogenic Wafer Prober)。这种装置可以加速基于硅的量子芯片上量子比特的测试过程。
微软的量子网络也正在成长。作为该公司量子开发工具包的一部分，微软大力推广其量子友好的最新编程语言Q#(Q-sharp)。微软的目标是开发一种通用量子计算机，采用坚固的基于纳米线的硬件结构，具有纠错机制。
以此同时，谷歌在去年7月发布了名为Cirq的开源软件工具包，以帮助开发人员测试量子计算算法。此外，在去年3月，谷歌宣布推出Bristlecone，一台72量子比特的通用量子计算机。
来源：IBM.com/blogs/research/2019/03/power-quantum-device/">IBM
