在剛剛過去的2019年美國物理學(xué)會會議上，美國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、量子計算機(jī)的性能越好。基于這一理念，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)?科技日報記者就此采訪了業(yè)內(nèi)相關(guān)專家。

評判計算機(jī)性能的一種新標(biāo)準(zhǔn)

傳統(tǒng)計算機(jī)要100年才能破解的難題，量子計算機(jī)可能僅需1秒，這便是量子計算機(jī)的厲害之處。

從1970年到2005年，正如摩爾定律預(yù)測的一樣，每18個月集成電路上可容納的元器件數(shù)目約增加一倍，計算機(jī)的性能也相應(yīng)提升近一倍。但2005年后這種趨勢就開始放緩，極其微小的集成電路面臨散熱等問題的考驗(yàn)。

如果按這個趨勢繼續(xù)發(fā)展，當(dāng)集成電路的尺寸接近原子級別的時候，電子的運(yùn)動也不再遵守經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律，這個時候量子力學(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，并提出量子計算才是未來發(fā)展方向。

傳統(tǒng)計算機(jī)的基本數(shù)據(jù)單位是比特，而量子計算機(jī)的單位則是量子比特。在微觀尺度上，一個量子比特可以同時處于多個狀態(tài)，而不像傳統(tǒng)計算機(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，如果量子計算機(jī)能有效操縱50個左右量子比特，其能力即超過傳統(tǒng)計算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了相對傳統(tǒng)計算機(jī)的“霸權(quán)”。

5量子比特、10量子比特、50量子比特……近年來，量子計算機(jī)的量子比特數(shù)量不斷增長，各國在這一領(lǐng)域展開激烈的競爭。

而今，除了量子比特數(shù)，IBM提出了量子體積這一評價標(biāo)準(zhǔn)，用于衡量量子計算機(jī)性能的強(qiáng)大程度。

據(jù)公開報道，IBM還專門提出了量子體積圖表，這個圖表能測量量子計算機(jī)有多少個量子位(衡量數(shù)據(jù)處理能力的關(guān)鍵指標(biāo))以及計算機(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數(shù)量、設(shè)備連接、相干時間、門和測量誤差、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量子計算機(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”為時尚早

IBM發(fā)現(xiàn)，該公司量子計算機(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，加拿大量子計算公司D-Wave甚至以摩爾定律作為參照，預(yù)測未來每兩年量子計算機(jī)的量子比特數(shù)將增加一倍。

“‘量子摩爾定律’或許很難站住腳，因?yàn)榱孔佑嬎銠C(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、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授韓正甫告訴科技日報記者，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期觀測所得出的結(jié)論。

相比較之下，截至目前量子計算機(jī)學(xué)界只積累了零星的實(shí)踐數(shù)據(jù)。基于有限數(shù)據(jù)得出規(guī)律性的結(jié)論顯然不夠科學(xué)。“假設(shè)量子計算機(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)測量子計算機(jī)未來的發(fā)展趨勢。”韓正甫說，目前而言提出“量子摩爾定律”或許為時尚早。

起步階段新概念會層出不窮

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’是指量子計算機(jī)外觀的大小。但很顯然，這與計算機(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)。”韓正甫認(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間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的量子計算任務(wù)量。

此時出現(xiàn)概念之爭，實(shí)際上也是量子計算機(jī)發(fā)展到此階段的必然產(chǎn)物。

韓正甫表示，量子計算機(jī)在不同階段會有不同標(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)該是量子計算機(jī)能否解決具體情境中的問題，即證明‘量子優(yōu)勢’(即量子計算機(jī)的計算性能超越史上最強(qiáng)的經(jīng)典計算機(jī))。”但目前來看，現(xiàn)有的量子計算機(jī)距離實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)勢”這一目標(biāo)還有一定距離。

此外，各大企業(yè)開發(fā)量子計算機(jī)的技術(shù)方案差別很大，技術(shù)關(guān)卡位置存在差異，所以評判量子計算機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)會各不相同且會層出不窮。“不能說某家公司先提出一個標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)就是通行的，還要看學(xué)界和業(yè)界的反應(yīng)。”韓正甫說。

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)是如何評估計算機(jī)性能的。它涉及多少指標(biāo)?每個指標(biāo)占比多少?這些都還沒有數(shù)據(jù)披露。”韓正甫表示，無論何種標(biāo)準(zhǔn)，都要以反映計算機(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。我們要對這些噱頭提高警惕，保持理性和清醒，提升計算機(jī)能力才是關(guān)鍵。”

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽曾拋出過這樣一個問題：“如果你有足夠多的資金，會投資通用計算機(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)計算機(jī)。

不過，可以預(yù)見的是，在接下來一段時間，關(guān)于量子計算機(jī)依然會有新的概念出現(xiàn)。正如暢銷書《未來版圖》所言：沒有一家大公司會放棄參與未來世界的基礎(chǔ)建設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)制定。