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本文由中國科學技術大學黃磊供稿。 最近，人們印象中的「口罩生產商」霍尼韋爾（Honeywell）突然殺入量子計算行業，並發布重磅消息稱其已經在量子計算領域取得突破性進展①： 將在未來三個月內把量子體積（Quantum Volume）為64的量子計算機推向市場。 這一消息瞬間震驚了整個產業界。 如果霍尼韋爾的宣稱屬實，那麼，這將是現今最為強大的量子計算機！ ... 圖1：霍尼韋爾的離子阱量子計算機② 霍尼韋爾不僅是著名的口罩生產商，更是全球最大的高科技製造企業之一，在過去數年一直致力於研發離子阱體系的量子計算機。 此前在國際消費電子展（CES 2020）上，IBM推出的28量子比特量子計算機（Raleigh），其量子體積也僅為32，而霍尼韋爾即將推出的計算機是它的兩倍。 這裡我們可以看到，IBM與霍尼韋爾都使用了量子體積（Quantum Volume）這一概念來評估它們的量子計算機。 而多數時候，對於層出不窮的量子計算機新聞，人們更熟悉的評估指標是晶片的比特數目： 例如Google的懸鈴木（Sycamore）超導量子計算機就有53個比特③； Rigetti的超導量子計算機有32個比特④； IonQ的離子阱量子計算機有11個全連接的比特⑤。 國內的本源量子目前已推出6比特超導量子晶片和2比特半導體量子晶片。 ... 圖2：本源量子6比特超導量子晶片⑥ 那什麼是量子體積（Quantum Volume）？稍後我們來詳細解答。 首先，我們了解幾個常見的量子計算機的性能指標 量子比特數目 量子晶片的連通性 量子操作們的錯誤率 量子比特的相干時間 量子比特的串擾如何 ... 圖3：一些量子計算設備的參數⑦ 這些指標都反映了量子晶片某一方面的性能(各個公司在宣傳自己的晶片時都會選取對自己有利的指標)。 我們當然希望一個量子計算晶片的量子比特數目越多越好、連通性越高越好、錯誤率越低越好、相干時間越長越好（準確說是『相干時間/門操作時間』越大越好）、比特間的串擾越小越好。 但這些性能之間是相互影響甚至相互矛盾，很難同時滿足。 一般而言，比特數目越多、連通性越高，比特之間的串擾就會越高，量子操作門的綜合錯誤率就會上升，整體的相干時間就可能下降。 系統越複雜，出錯的機率就越大。 ... 圖4：Google懸鈴木量子晶片的分布比特錯誤率③ 僅僅比較晶片的量子比特數量並不能評價哪個量子計算機整體性能更好。 那麼，怎麼來綜合比較兩個不同的量子計算機性能呢？ 在高性能計算機的性能評估中，人們採用浮點運算(LINPACK)性能測試來比較不同經典計算機的計算性能，而不管這臺計算機的具體架構和實現細節。 而在量子計算機的評估中，科學家們也引入了一個綜合概念：量子體積（Quantum Volume）。 為得到這個評估，我們讓不同的量子晶片來完成相同的任務（比如量子隨機線路），通過它們在完成這一任務中的表現來判斷它的性能。 ... 圖5：量子隨機線路模型⑧ 在量子體積中，量子比特的數量和可執行操作的邏輯深度作為同等重要的因素被考慮。 邏輯深度：在不同比特上並行執行的操作，可以簡單理解為上圖的層數，上圖的邏輯深度為d。 量子體積被定義為指數形式： 其中n表示在給定比特數目m（m>n）和完成計算任務的條件下系統操作的最大邏輯深度。 如果晶片能執行的最大邏輯深度n大於比特數m，那麼系統的量子體積就是 ... 圖6：影響量子體積的因素⑨ 量子體積並不是一個單一的指標，它與量子晶片的整體性能息息相關。 它與系統門操作的整體錯誤率、比特關聯、門操作並行度等都有關。因而，它評估的是量子計算機的整體計算性能，表明了量子計算機可以解決的問題的相對複雜性。 ... 圖7：IBM Q量子計算系統⑩ IBM的研究人員稱：最大化量子體積就是在這些不同的參數之間進行權衡，並找出新的方法來突破這些界限。這就是為什麼量子體積度量是如此重要，它可以指導研究，不會因為某些部分性能的提升損害其它性能，導致整體性能下降。 ... 圖8：IBM量子體積增長趨勢⑪ 用量子體積這一更綜合的指標來評估已有的量子計算機，我們可以看到IBM量子計算機的性能一直在增長。 雖然Google、Rigetti和IonQ目前還沒有公布其量子計算機的量子體積，但是不排除未來它們也會將量子體積作為量子計算機的一個性能參考指標。 可以預見，隨著量子計算的不斷發展，量子體積將是一個更為合理的評價量子計算機的性能的指標。 參考資料 ①Pino J M, Dreiling J M, Figgatt C, et al. Demonstration of the QCCD trapped-ion quantum computer architecture[J]. arXiv preprint arXiv:2003.01293, 2020. ②https://techcrunch.com/2020/03/03/honeywell-says-it-will-soon-launch-the-worlds-most-powerful-quantum-computer/ ③Arute F, Arya K, Babbush R, et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor[J]. Nature, 2019, 574(7779): 505-510. ④https://rigetti.com/ ⑤https://ionq.com/ ⑥https://www.originqc.com.cn/ ⑦https://quantumcomputingreport.com/scorecards/qubit-quality/ ⑧Cross A W, Bishop L S, Sheldon S, et al. Validating quantum computers using randomized model circuits[J]. Physical Review A, 2019, 100(3): 032328. ⑨https://www.forbes.com/sites/moorinsights/2019/11/23/quantum-volume-a-yardstick-to-measure-the-power-of-quantum-computers/#3d47f6735bf4 ⑩https://www.neowin.net/news/ibm-q-announces-a-host-of-new-tools-geared-towards-making-quantum-computing-more-accessible/ ⑪https://www.ibm.com/blogs/research/2020/01/quantum-volume-32/ 聲明：本文部分圖片源自網絡，如有侵權，請聯繫刪除。 文章投稿：oqc@originqc.com 轉載授權：oqc@originqc.com

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