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电脑——今年一月在CES上亮相的全球首台商用量子运算一体机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，用於测量量子电脑的强大程度，其影响因素包括量子位元数、闸和测量误差、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，量子电脑的性能就越强大，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」：其量子电脑实现的量子体积，每年增加一倍：
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2017年IBM的Tenerife装置（5-qubit）已经实现了4量子体积；
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2018年的IBM Q设备 (20-qubit)，其量子体积是8；
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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倍。
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高登?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！
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量子体积是什么？
IBM在部落格上发布了对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」，团队还发布了一篇论文，详细描述了这个指标以及如何运算。
在论文中，他们指出，新的度量标准「量化了电脑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的错误率小於2%，其最佳gate的错误率小於1%。
低错误率很重要，因为要想构建功能完备、大规模、通用、容错的量子电脑，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电脑本身能力的重大、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，并在部落格中公布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。
特定量子电脑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：
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。平均两个量子位元闸误差小於2％，最佳闸错误码率小於1％。
IBM的设备基本上受到相干时间的限制，对於IBM Q System One来说平均为73μs。
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平均两位元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位元保真度。
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的五量子位元设备Teumife的量子体积是2017年首次透过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，量子系统运算力每年增长一倍。
有趣的是，其实可以将上图与Gordon Moore在1965年4月19日提出这张着名的「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。
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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位元T1弛豫时间长达0.5毫秒（500微秒，质量因子为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」可用於表徵设备性能，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。
对於多量子位纠缠，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於目标状态的保真度。
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，可以透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，误差线将包含由於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位元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个量子位元纠缠。
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。
量子运算的噪声中间量子（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开设新的量子运算中心，在2019年下半年制造具有相当性能水平的量子运算系统。
1965年，高登·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，量子运算的未来将成为电脑本身的未来。
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史上最高量子体积的量子电脑，是何方神圣？
IBM Q System One，号称全球首台量子运算一体机，它体积如同大象，算力不敌小手机。
今年一月，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米宽的的硼矽玻璃柜中，中间挂着吊灯一般的量子运算核心硬件，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，可用於最先进的基於云的量子运算程序，包括：
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具有稳定性和自动校准能力的量子硬件设计，提供可重复、可预测的高质量量子位元。
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制冷工程，提供连续冷却、孤立的量子环境。
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紧凑型高精度电子元件，可严格控制大量量子位元。
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量子固件，可管理系统运行状况并启用系统升级，无需用户停机。
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经典运算能力，提供安全的云访问和量子算法的混合运行。
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以及IBM刚刚公布的，它的「量子体积」 达到了16。
如果明年IBM如约推出32量子体积的电脑，又会是何等的高端艺术品呢？
巨头搅局，量子运算竞争白热化
根据BCC Research的数据，到2022年，全球量子运算市场的复合年均成长率预计将达到37.3%，产值达到1.61亿美元左右。再往后，2027年该市场的年复合成长率将达到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、Google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运算商业化和民主化，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芯片探针（Cryogenic Wafer Prober）。这种装置可以加速基於矽的量子芯片上量子位元的测试过程。
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电脑，采用坚固的基於纳米线的硬件结构，具有纠错机制。
以此同时，Google在去年七月发布了名为Cirq的开源软件工具包，以帮助开发人员测试量子运算算法。此外，在去年三月，Google宣布推出Bristlecone，一台72量子位元的通用量子电脑。
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