別玩概念，實現“霸權”得拼硬實力 評判計算機性能的一種新標準

在剛剛過去的2019年美國物理學會會議上，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、量子計算機的性能越好。基于這一理念，IBM指出，為了在10年內實現“量子霸權”，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。

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”又是否有科學依據?科技日報記者就此采訪了業內相關專家。

評判計算機性能的一種新標準

傳統計算機要100年才能破解的難題，量子計算機可能僅需1秒，這便是量子計算機的厲害之處。

從1970年到2005年，正如摩爾定律預測的一樣，每18個月集成電路上可容納的元器件數目約增加一倍，計算機的性能也相應提升近一倍。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。

如果按這個趨勢繼續發展，當集成電路的尺寸接近原子級別的時候，電子的運動也不再遵守經典物理學規律，這個時候量子力學將起到主導作用。上世紀80年代，科學家就已預言這一問題，并提出量子計算才是未來發展方向。

傳統計算機的基本數據單位是比特，而量子計算機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，而不像傳統計算機中的比特只能處于0和1中的一種狀態。有觀點認為，如果量子計算機能有效操縱50個左右量子比特，其能力即超過傳統計算機，實現了相對傳統計算機的“霸權”。

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

而今，除了量子比特數，IBM提出了量子體積這一評價標準，用于衡量量子計算機性能的強大程度。

據公開報道，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有多少個量子位(衡量數據處理能力的關鍵指標)以及計算機從不穩定的量子比特中可獲得多少數據。影響量子體積的因素包括量子比特數量、設備連接、相干時間、門和測量誤差、設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是否厲害。類似于醫生用身高、體重、頭圍等指標判斷嬰兒或青少年發育是否良好。按照IBM的說法，量子體積越大，量子計算機的性能越好，可能解決的實際復雜問題也就越多。

提出“量子摩爾定律”為時尚早

IBM發現，該公司量子計算機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設備的量子體積是4;2018年，該公司推出的20量子比特IBM Q設備的量子體積是8;2019年最新推出的20量子比特IBM Q System One的量子體積達到16。

以此來看，IBM試圖讓量子計算機的量子體積實現每年翻一番，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，預測未來每兩年量子計算機的量子比特數將增加一倍。

“‘量子摩爾定律’或許很難站住腳，因為量子計算機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家、中國科學技術大學中國科學院量子信息重點實驗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論。

相比較之下，截至目前量子計算機學界只積累了零星的實踐數據。基于有限數據得出規律性的結論顯然不夠科學。“假設量子計算機從A點起步，現在剛剛走到B點。由于AB之間的距離很短，我們很難通過這條線預測量子計算機未來的發展趨勢。”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’是指量子計算機外觀的大小。但很顯然，這與計算機的大小沒有關系。這樣表述不能真正說明問題的本質。”韓正甫認為，把“Quantum Volume”翻譯成“量子規模”或許更為合適。

也有業內人士提出，應把“Quantum Volume”譯作“量子密度”，指設備在給定的空間和時間范圍內實現的量子計算任務量。

此時出現概念之爭，實際上也是量子計算機發展到此階段的必然產物。

韓正甫表示，量子計算機在不同階段會有不同標準，不同企業的標準也不盡相同。“我覺得最主要的標準應該是量子計算機能否解決具體情境中的問題，即證明‘量子優勢’(即量子計算機的計算性能超越史上最強的經典計算機)。”但目前來看，現有的量子計算機距離實現“量子優勢”這一目標還有一定距離。

此外，各大企業開發量子計算機的技術方案差別很大，技術關卡位置存在差異，所以評判量子計算機性能的標準會各不相同且會層出不窮。“不能說某家公司先提出一個標準，這個標準就是通行的，還要看學界和業界的反應。”韓正甫說。

把關注點放在能否解決問題上

標準制定是一件很復雜的事情。

“截至目前，我并不清楚‘量子體積’這一標準是如何評估計算機性能的。它涉及多少指標?每個指標占比多少?這些都還沒有數據披露。”韓正甫表示，無論何種標準，都要以反映計算機解決問題的能力為核心。

實際上，IBM公司的量子戰略與生態副總裁羅伯特·蘇托爾在去年的一次公開演講中提出過類似理念：“我覺得很多標題、噱頭看上去很有吸引力，但其實沒有什么用。我們要對這些噱頭提高警惕，保持理性和清醒，提升計算機能力才是關鍵。”

中國科學技術大學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，會投資通用計算機還是專用量子模擬器?”3位來自企業界的科學家回答出奇地一致：要以性能為選擇標準。

也就是說，要把關注點放在量子計算機能否實實在在地解決問題上。比如，在提升藥物開發效率、流程優化等方面的能力能否超過傳統計算機。

不過，可以預見的是，在接下來一段時間，關于量子計算機依然會有新的概念出現。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建設和標準制定。