在剛剛過去的2019年美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上，美國(guó)IBM公司正式提出了“量子摩爾定律”這一概念，即量子體積（Quantum Volume）越大、量子計(jì)算機(jī)的性能越好?；谶@一理念，IBM指出，為了在10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，需要每年將量子體積增加至少一倍。同時(shí)IBM還宣稱旗下最新推出的IBM Q System One是迄今為止量子體積最大的量子計(jì)算機(jī)。
那么，量子體積這一概念究竟是什么？IBM提出的“量子摩爾定律”又是否有科學(xué)依據(jù)？科技日?qǐng)?bào)記者就此采訪了業(yè)內(nèi)相關(guān)專家。
評(píng)判計(jì)算機(jī)性能的一種新標(biāo)準(zhǔn)
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)要100年才能破解的難題，量子計(jì)算機(jī)可能僅需1秒，這便是量子計(jì)算機(jī)的厲害之處。
從1970年到2005年，正如摩爾定律預(yù)測(cè)的一樣，每18個(gè)月集成電路上可容納的元器件數(shù)目約增加一倍，計(jì)算機(jī)的性能也相應(yīng)提升近一倍。但2005年后這種趨勢(shì)就開始放緩，極其微小的集成電路面臨散熱等問題的考驗(yàn)。
如果按這個(gè)趨勢(shì)繼續(xù)發(fā)展，當(dāng)集成電路的尺寸接近原子級(jí)別的時(shí)候，電子的運(yùn)動(dòng)也不再遵守經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律，這個(gè)時(shí)候量子力學(xué)將起到主導(dǎo)作用。上世紀(jì)80年代，科學(xué)家就已預(yù)言這一問題，并提出量子計(jì)算才是未來發(fā)展方向。
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基本數(shù)據(jù)單位是比特，而量子計(jì)算機(jī)的單位則是量子比特。在微觀尺度上，一個(gè)量子比特可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)，而不像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的比特只能處于0和1中的一種狀態(tài)。有觀點(diǎn)認(rèn)為，如果量子計(jì)算機(jī)能有效操縱50個(gè)左右量子比特，其能力即超過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的“霸權(quán)”。
5量子比特、10量子比特、50量子比特……近年來，量子計(jì)算機(jī)的量子比特?cái)?shù)量不斷增長(zhǎng)，各國(guó)在這一領(lǐng)域展開激烈的競(jìng)爭(zhēng)。
而今，除了量子比特?cái)?shù)，IBM提出了量子體積這一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，用于衡量量子計(jì)算機(jī)性能的強(qiáng)大程度。
據(jù)公開報(bào)道，IBM還專門提出了量子體積圖表，這個(gè)圖表能測(cè)量量子計(jì)算機(jī)有多少個(gè)量子位（衡量數(shù)據(jù)處理能力的關(guān)鍵指標(biāo)）以及計(jì)算機(jī)從不穩(wěn)定的量子比特中可獲得多少數(shù)據(jù)。影響量子體積的因素包括量子比特?cái)?shù)量、設(shè)備連接、相干時(shí)間、門和測(cè)量誤差、設(shè)備交叉通信以及電路軟件編譯效率等。
總之，量子體積就是用來判定一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)是否厲害。類似于醫(yī)生用身高、體重、頭圍等指標(biāo)判斷嬰兒或青少年發(fā)育是否良好。按照IBM的說法，量子體積越大，量子計(jì)算機(jī)的性能越好，可能解決的實(shí)際復(fù)雜問題也就越多。
提出“量子摩爾定律”為時(shí)尚早
IBM發(fā)現(xiàn)，該公司量子計(jì)算機(jī)的量子體積每年約增加一倍，性能也隨之提升，這似乎也遵循著一種“摩爾定律”——
2017年，IBM推出的5量子比特Tenerife設(shè)備的量子體積是4；2018年，該公司推出的20量子比特IBM Q設(shè)備的量子體積是8；2019年最新推出的20量子比特IBM Q System One的量子體積達(dá)到16。
以此來看，IBM試圖讓量子計(jì)算機(jī)的量子體積實(shí)現(xiàn)每年翻一番，該公司就此提出了“量子摩爾定律”。
與之類似，加拿大量子計(jì)算公司D-Wave甚至以摩爾定律作為參照，預(yù)測(cè)未來每?jī)赡炅孔佑?jì)算機(jī)的量子比特?cái)?shù)將增加一倍。
“‘量子摩爾定律’或許很難站住腳，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)目前還處在起步階段。”安徽問天量子科技股份有限公司首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授韓正甫告訴科技日?qǐng)?bào)記者，1965年由英特爾公司的共同創(chuàng)始人戈登·摩爾提出的摩爾定律是基于長(zhǎng)期觀測(cè)所得出的結(jié)論。
相比較之下，截至目前量子計(jì)算機(jī)學(xué)界只積累了零星的實(shí)踐數(shù)據(jù)?；谟邢迶?shù)據(jù)得出規(guī)律性的結(jié)論顯然不夠科學(xué)?！凹僭O(shè)量子計(jì)算機(jī)從A點(diǎn)起步，現(xiàn)在剛剛走到B點(diǎn)。由于AB之間的距離很短，我們很難通過這條線預(yù)測(cè)量子計(jì)算機(jī)未來的發(fā)展趨勢(shì)?！表n正甫說，目前而言提出“量子摩爾定律”或許為時(shí)尚早。
起步階段新概念會(huì)層出不窮
實(shí)際上，IBM公司提出的“量子體積”這一概念本身就使人感到困惑。
“我認(rèn)為把‘Quantum Volume’翻譯成‘量子體積’不合適。從中文字面意思上來看，很容易讓人誤以為‘量子體積’是指量子計(jì)算機(jī)外觀的大小。但很顯然，這與計(jì)算機(jī)的大小沒有關(guān)系。這樣表述不能真正說明問題的本質(zhì)?！表n正甫認(rèn)為，把“Quantum Volume”翻譯成“量子規(guī)模”或許更為合適。
也有業(yè)內(nèi)人士提出，應(yīng)把“Quantum Volume”譯作“量子密度”，指設(shè)備在給定的空間和時(shí)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算任務(wù)量。
此時(shí)出現(xiàn)概念之爭(zhēng)，實(shí)際上也是量子計(jì)算機(jī)發(fā)展到此階段的必然產(chǎn)物。
韓正甫表示，量子計(jì)算機(jī)在不同階段會(huì)有不同標(biāo)準(zhǔn)，不同企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。“我覺得最主要的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是量子計(jì)算機(jī)能否解決具體情境中的問題，即證明‘量子優(yōu)勢(shì)’（即量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能超越史上最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)）。”但目前來看，現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)距離實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)勢(shì)”這一目標(biāo)還有一定距離。
此外，各大企業(yè)開發(fā)量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)方案差別很大，技術(shù)關(guān)卡位置存在差異，所以評(píng)判量子計(jì)算機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)各不相同且會(huì)層出不窮。“不能說某家公司先提出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是通行的，還要看學(xué)界和業(yè)界的反應(yīng)?！表n正甫說。
把關(guān)注點(diǎn)放在能否解決問題上
標(biāo)準(zhǔn)制定是一件很復(fù)雜的事情。
“截至目前，我并不清楚‘量子體積’這一標(biāo)準(zhǔn)是如何評(píng)估計(jì)算機(jī)性能的。它涉及多少指標(biāo)？每個(gè)指標(biāo)占比多少？這些都還沒有數(shù)據(jù)披露?！表n正甫表示，無論何種標(biāo)準(zhǔn)，都要以反映計(jì)算機(jī)解決問題的能力為核心。
實(shí)際上，IBM公司的量子戰(zhàn)略與生態(tài)副總裁羅伯特·蘇托爾在去年的一次公開演講中提出過類似理念：“我覺得很多標(biāo)題、噱頭看上去很有吸引力，但其實(shí)沒有什么用。我們要對(duì)這些噱頭提高警惕，保持理性和清醒，提升計(jì)算機(jī)能力才是關(guān)鍵。”
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽曾拋出過這樣一個(gè)問題：“如果你有足夠多的資金，會(huì)投資通用計(jì)算機(jī)還是專用量子模擬器？”3位來自企業(yè)界的科學(xué)家回答出奇地一致：要以性能為選擇標(biāo)準(zhǔn)。
也就是說，要把關(guān)注點(diǎn)放在量子計(jì)算機(jī)能否實(shí)實(shí)在在地解決問題上。比如，在提升藥物開發(fā)效率、流程優(yōu)化等方面的能力能否超過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。
不過，可以預(yù)見的是，在接下來一段時(shí)間，關(guān)于量子計(jì)算機(jī)依然會(huì)有新的概念出現(xiàn)。正如暢銷書《未來版圖》所言：沒有一家大公司會(huì)放棄參與未來世界的基礎(chǔ)建設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)制定。
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