量子摩尔定律问世带来哪些影响?量子摩尔定律具体内容是什么

发布:科技 时间:2019-03-10 19:56

IBM今天宣布量子计算新里程碑:迄今为止最高的量子体积!与此同时,IBM发布了量子性能的“摩尔定律”,宣布其“量子霸权”时间表:为了在10年内实现量子霸权,需要每年将量子体积至少增加一倍。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.

也就是说,自2017 年以来,IBM 每年将量子体积翻了一番。

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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:

集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔两年便会增加一倍

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。

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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。

下表比较了四个最近的IBM Q系统中量子器件的基本指标:

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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。

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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。

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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:

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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。

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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:

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