超越MOSS，离子阱量子体积首次破万

光子盒研究院出品

《流浪地球2》电影上市后，光子盒曾发文提出了剧中的“MOSS”——550W的最大漏洞是量子体积设定为8192：量子体积是由IBM开发、广泛认可的衡量基准，早在2022年10月，霍尼韦尔分拆的量子计算公司Quantinuum就达到了这一目标；并且，是在20量子比特的离子阱量子计算机中实现的，实际上对于8192量子体积，13个量子比特就足够了，20个量子比特的理论量子体积最高值可超过100万。因此，如果量子计算机550W的量子体积只有8192，是不可能成为大BOSS的。如今，Quantinuum再次刷新了量子计算行业的最高水平。

2月23日， Quantinuum宣布，其H1量子处理器接连创下两项性能记录：H1-1的量子体积（QV）达到16384（2^14）和32768（2^15）。

这标志着Quantinuum基于量子电荷耦合器件技术(quantum charge coupled device technology)的H系列在不到三年的时间里第八次树立了行业基准，并实现了2020年3月的公开承诺：即在五年内每年将H系列量子处理器的性能提高一个数量级。

“这是量子计算的一个了不起的里程碑，与我们从Quantinuum看到的技术一致。”摩根大通的全球技术应用研究主管Marco Pistoia博士说：“从我们的研究中可以看出，过去几年我们在Quantinuum的量子计算机上产生了突破性的算法，这使得摩根大通在量子计算方面处于领先地位。我们期待继续一起在量子计算方面取得更多突破。”

不仅如此，Quantinuum还透露了H系列最近性能提升的细节，包括降低设备激光器的相位噪声、减少双量子比特门误差和内存误差(memory error)，以及改进校准过程等。

Tony Uttley

Quantinuum总裁兼首席运营官Tony Uttley表示：“我们正处在路线图曾预期的位置。我们的硬件团队将继续提供全面的技术改进，我们的客户也能立即感受到这些改进。”

五位数的量子体积数字对于量子纠错（QEC）来说非常有益：错误率低、量子比特数量多、且电路很长。QEC是大规模量子计算的一个关键要素，越早在今天的硬件上探索，就越快能在大规模中得到展示。

Quantinuum团队之前曾将系统模型H1系统的QV提高到8192（或2^13），然而，对H1-1的控制和子系统的不断改进使该系统取得了足够的进展，成功地达到了预期的2^14，甚至又向前迈进了一大步，达到了2^15的QV。

量子体积是一个全系统的基准，该基准考虑到了量子比特数量、保真度、连接性和其他对构建有用设备很重要的指标。它的计算公式如下：

其中，VQ即量子体积，对于一个n量子比特处理器，m≤n，d(m)是最大方形电路中的量子比特数。也就是说量子体积与处理器拥有的量子比特数有关，还与量子处理器能够可靠运行的最大方形电路的深度有关。

随机方形电路

由此可见，量子体积是个综合指标，其影响因素包括量子比特数、保真度、连通性和电路编译效率等。目前已知的其他衡量标准（门保真度、量子比特数量）都不如量子体积全面，因此，它更能代表量子计算机的运行能力。

此次Quantinuum团队提高量子体积的工作意味着需要单独和同时改进机器的所有子系统、子组件，同时确保所有系统继续良好地协同工作。如此复杂的任务需要整个Quantinuum团队的高度协调，并将工作改进的好处传递给H系列的下游用户。

这一最新的QV里程碑展示了Quantinuum团队如何持续提升系统模型H1的性能，在保持高单比特保真度、高SPAM保真度和低串扰的同时，对双比特门保真度进行了改进。这些里程碑的平均单量子比特门保真度为99.9955(8)%，全连接量子比特的平均双量子比特门保真度为99.795(7)%，而状态准备和测量保真度为99.69(4)%。

对于这两项测试，Quantinuum团队运行了100个电路，每个电路有200次拍摄(shot)，使用标准的QV优化技术， Quantinuum H1-1成功通过了量子体积16384的基准测试，高输出频率(heavy output frequency)是69.88%；并通过了32768的基准测试，高输出频率是69.075%。高输出频率是对量子计算机的测量输出与理想模拟结果匹配程度的简单衡量。这两个结果都高于三分之二的通过门槛，具有很高的可信度。

H1-1的高输出频率为2^15（QV= 32768）

H1-1的高输出频率为2^14（QV =16384）

为了更好地说明这个5位数QV的里程碑性意义，我们整合了五项Quantinuum团队、H系列用户的观点：

1）更高的QV将影响算法

Henrik Dreyer博士是Quantinuum在德国慕尼黑办事处的常务董事，在他的工作范围内，量子体积的改进是很重要的，因为它关系到门保真度。

“作为应用开发者，信噪比是我们所关心的，” Dreyer说：“信噪比对门的保真度很敏感。如果把门的保真度提高一点，一个特定算法的运行时间可能会急剧下降，对于一个典型的电路，如图所示，即使是保真度相对较低的0.16个百分点的改进，也可能意味着它的运行时间降低到半小时以内。”

为了证明这一点，Quantinuum团队一直在对System Model H1的性能进行基准测试。下图显示了在最近的门控保真度改进之前和之后对这些电路的运行时间进行的反复基准测试。这种保真度的适度变化结果是运行时间的3倍变化。该例子使用了430个任意角度的双量子比特门，准确性(accuracy)为3%。

2）推进量子纠错

Natalie Brown博士和Ciaran Ryan-Anderson博士都在Quantinuum从事量子纠错工作。他们认为QV的进步是对这项工作的全面推动。

“达到这样的量子体积数字意味着有低的错误率、大量的量子比特，以及非常长的电路，” Natalie说：“而这三者对于量子纠错来说都是非常好的事情。更高的量子体积肯定意味着我们将能够更好地运行量子纠错。纠错是大规模量子计算的一个关键因素。我们越早开始在今天的小规模硬件上探索纠错，我们就能越快地在大规模展示它。”

Ciaran表示，H1-1的低错误率使科学家们能够更好地进行纠错，并开始探索解码方案。

“如果能有真正的低错误率，就可以应用大量的量子操作，即所谓的门，”Ciaran说：“这使得量子纠错更容易，因为与其他设备相比，我们可以进一步抑制噪声，并有可能使用更少的资源来进行纠错。”

3）量子体积是更成熟的衡量基准

“这一成就表明，门的改进正在转化为全系统的电路。”Quantinuum的研究科学家Charlie Baldwin博士说。

Charlie专门研究量子计算性能基准，并与量子经济发展联盟（QED-C）一起进行研究。

“其他基准测试使用更容易的电路，或纳入其他选项，如后处理数据。这可能会使我们更难确定哪个部分有所改进，有了量子体积(QV)，很明显，性能的提高来自于硬件，而硬件是最难、最重要的改进。”

“量子体积是一个成熟的衡量基准。”

4）对量子应用的影响

量子软件负责人Ross Duncan博士认为，量子体积是显示构建量子计算机过程中整体进展的一个好方法。

Duncan说：“与任何其他测量方法相比，量子体积有其优点，因为它能给出一个明确的答案。这个最新的增长揭示了最近几个月硬件的综合改进程度，并意味着研究人员和开发人员可以期望运行更深的电路、取得更大的成功。”

5）H系列用户将直接受益

Quantinuum的商业模式很独特，因为H系列系统在其产品生命周期中不断升级。对于用户来说，这意味着他们可以持续并立即获得性能上的最新突破。这一改进不是在内部测试平台上完成的，而是在H1-1系统上实施的：该系统是商业化的，被世界各地的用户广泛使用。

“这些改进一经实施，用户就会从中受益，”Jenni Strabley博士说：“我们的量子体积测量与客户的工作交织在一起，所以我们知道，我们看到的改进也被客户看到了。持续提供越来越好的性能表明我们实现了对客户在这些早期小规模量子计算机上取得成功的承诺，以及我们对准确性、透明度的承诺。这就是我们加速量子计算的方式。”

关于Quantinuum

Quantinuum是世界上最大的综合性独立量子计算公司，由霍尼韦尔量子解决方案公司和剑桥量子公司结合而成。Quantinuum以科学为主导，以企业为动力，加速量子计算和跨化学、网络安全、金融和优化领域的应用开发。其重点是创建可扩展的商业量子解决方案，以解决能源、物流、气候变化和健康等领域的问题。该公司在美国、欧洲和日本的九个地点拥有480多名员工、350名科学家。

参考链接：

[1]https://www.quantinuum.com/news/quantinuum-sets-industry-record-for-hardware-performance-with-new-quantum-volume-milestone

[2]https://quantum-journal.org/papers/q-2022-05-09-707/

[3]https://www.quantinuum.com/news/quantum-volume-reaches-5-digits-for-the-first-time-5-perspectives-on-what-it-means-for-quantum-computing

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