IBM | 让量子器件拥有更高的功率，开启量子计算的“摩尔定律”时代

本文阅读关键字：IBM Q System One，IBM Q Network, 相干时间, Quantum Volume，量子比特保真度, Qiskit, NISQ.

年初，在CES上IBM揭开了一座行业里程碑：IBM Q System One。这是世界上第一个整体近似于量子计算的用于商业的系统。它掀起了一场潜在的从传统实验到云数据的技术变革。也是IBM Research迄今为止技术最先进，性能最高的量子系统。

随着量子计算时代的发展，当我们能够在某些实用案例中明确地展示出比当下常规计算机更“显著的”性能优势时，系统性能将成为实现“量子特性”技术的关键 。“显著”是指量子计算要比常规计算快数百或数千倍，或者运行内存只是常规计算机所需的一小部分，或者是执行一些常规计算机无法完成的计算任务。

我们对IBM Q System One进行了详细的基准测试，这里就IBM Q Network系统“Tokyo”和“Poughkeepsie”以及公开发布的IBM Q Experience系统“Tenerife”的部分数据作出报告。

特定量子计算机的性能可以在两个层面上表现：与芯片中量子比特的基本性能相关的量子器件以及整体的系统性能。下表列示了四个最近的IBM Q系统中量子器件的基本指标：

IBM Q System One的性能可以通过我们测量出的一些最佳/最低错误率反映出来，即平均两个量子比特门限小于2％，最佳门限小于1％。设备运行IBM Q System One时由于相干时间（Coherence times）的限制,得出的性能数据只能基本上接近量子器件指标，平均为73μs。

平均每两比特错误率在相干极限的两倍（x1.68）之内，即由量子比特T1和T2设定的理论极限（IBM Q System One平均为74μs和69μs）。这表明控件引起的误差非常小，设备越来越接近最佳量子比特保真度（Qubit fidelities）。

为了使测量结果更精确，我们开发了Quantum Volume系统，这是一个全性能指标测量系统，可以解决门限、测量误差、器件串扰和连接以及电路软件编译器效率等问题。

如果要使量子技术在20世纪20年代能落地使用，我们每年至少需要将量子容量（Quantum Volume）翻一番。

5量子比特设备Teumife的Quantum Volume是2017年IBM Q Experience量子云服务所提供的，目前的高端设备IBM Q 20-qubit的Quantum Volume为8，最新结果表明IBM Q System One的Quantum Volume刚好超过16。自2017年以来，IBM Q团队每年能够将Quantum Volume翻倍，这为量子系统建立了一个以Quantum Volume为目标的路线图，即量子系统的功率每年也翻一番。

有趣的是，您可以将上图与Gordon Moore（摩尔定律）的“Cramming more components onto integrated circuits,” Electronics, Volume 38, Number 8, April 19, 1965 中的图表进行比较：

我们得出的结果是想要实现0.01%的误差率，需要将相干时间提高到1-5毫秒，显然这是一段充满挑战的漫长之路。在制定系统路线图的同时，我们也研究了器件的基本物理特性，并通过测量得到单个超导传输量子比特T1的弛豫时间长达0.5毫秒（500微秒，品质因数为1500万），以上数据揭示了这些器件没有基本材料上限。

0.5 millisecond qubit relaxation time, experimental evice

虽然Quantum Volume可用作表征整体设备性能的单个指标，但我们也可以使用其他指标，例如测量量子比特在设备上的相互作用方式，以提取更多有关系统性能的信息。

多量子比特相互作用的简单度量是N-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态，例如4-qubit state。

我们准备GHZ状态，并通过在不同基（Bases)上的各个量子比特的投影，就可以重建之前创建的量子态，之后测量实验过程中具有目标状态的量子保真度。量子态断层影像（State tomography）对测量误差很敏感，因此如果没有消除这些误差影响的技术，我们重建的4-qubit GHZ状态的保真度只有0.66，用可视化方式可以描绘为如下的密度矩阵：

4-qubit GHZ state tomography — fidelity =0.66

幸运的是，我们可以通过进行另外的校准测量得到测量误差的倒数，将该数据通过一定的校正方法运用到断层影像所得的数据中从而减小误差。通过测量误差校正的相同数据具有0.98的保真度。需要注意的是，此值不包括误差线，误差线包含由于状态、测量两方面引起的统计和系统的噪声误差。

Qiskit Ignis是认识量子电路和减轻器件噪声的电子架构，也是IBM开源量子开发套件Qiskit的一部分，而减小测量误差的方法包含在Qiskit Ignis中。

4-qubit GHZ state tomography with measurement error mitigation — fidelity = 0.98

我们还对IBM Q System One上的真正相互作用的量子比特进行了初步测量，显示出多达18个量子比特同时相互影响。

量子体积和减少测量误差技术的进步，以及可操作的、新颖、迅速、保真度高的量子位测量技术，将在2019年美国波兰物理学会3月会议上公布。

正如您所看到的，NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)时代，无论是硬件、软件、物理学，再到基准测试的发展，都令人兴奋不已，而目前量子系统中的Quantum Volume技术仍有很多需要研究和实践的地方。我们计划在纽约Poughkeepsie开设新的量子计算中心，争取在2019年下半年制造出具有高性能的量子计算系统。

在1965年，Gordon Moore曾经说过：“集成电子技术的未来是电子产品本身的未来。”我们现在相信量子计算的未来将成为计算机本身的未来。

参 考：

https://www.ibm.com/blogs/research/2019/03/power-quantum-device/

相关阅读：

投稿邀请

量子客（Qtumist）垂直于量子技术领域，为所有量子领域的科研人员提供交流展示平台。如果您是本领域的研究者，热情欢迎您的投稿：[e-mail]。量子客发布的内容，版权所有，若有转载需求请联系原作者授权，或者联系量子客转接询问授权，若文章内容有误，以及有其他疑问，邮箱同上，欢迎交流。

Qubitlab_Sakura | 整理

Yoking | 编辑

量豆豆 | 校对

本文由量子客整理发布，欢迎署名转载!

END

专 业 解 读 量 子 科 技 前 沿 技 术

▽

Quantum Scientist ◆ 量子客

www.qtumist.com