在刚刚过去的2019年美国物理学会会议上，美国IBM公司正式提出了“量子摩尔定律”这一概念，即量子体积（Quantum Volume）越大、量子计算机的性能越好。基于这一理念，IBM指出，为了在10年内实现“量子霸权”，需要每年将量子体积增加至少一倍。同时IBM还宣称旗下最新推出的IBM Q System One是迄今为止量子体积最大的量子计算机。

    那么，量子体积这一概念究竟是什么？IBM提出的“量子摩尔定律”又是否有科学依据？科技日报记者就此采访了业内相关专家。

    评判计算机性能的一种新标准

    传统计算机要100年才能破解的难题，量子计算机可能仅需1秒，这便是量子计算机的厉害之处。

    从1970年到2005年，正如摩尔定律预测的一样，每18个月集成电路上可容纳的元器件数目约增加一倍，计算机的性能也相应提升近一倍。但2005年后这种趋势就开始放缓，极其微小的集成电路面临散热等问题的考验。

    如果按这个趋势继续发展，当集成电路的尺寸接近原子级别的时候，电子的运动也不再遵守经典物理学规律，这个时候量子力学将起到主导作用。上世纪80年代，科学家就已预言这一问题，并提出量子计算才是未来发展方向。

    传统计算机的基本数据单位是比特，而量子计算机的单位则是量子比特。在微观尺度上，一个量子比特可以同时处于多个状态，而不像传统计算机中的比特只能处于0和1中的一种状态。有观点认为，如果量子计算机能有效操纵50个左右量子比特，其能力即超过传统计算机，实现了相对传统计算机的“霸权”。

    5量子比特、10量子比特、50量子比特……近年来，量子计算机的量子比特数量不断增长，各国在这一领域展开激烈的竞争。

    而今，除了量子比特数，IBM提出了量子体积这一评价标准，用于衡量量子计算机性能的强大程度。

    据公开报道，IBM还专门提出了量子体积图表，这个图表能测量量子计算机有多少个量子位（衡量数据处理能力的关键指标）以及计算机从不稳定的量子比特中可获得多少数据。影响量子体积的因素包括量子比特数量、设备连接、相干时间、门和测量误差、设备交叉通信以及电路软件编译效率等。

    总之，量子体积就是用来判定一台量子计算机是否厉害。类似于医生用身高、体重、头围等指标判断婴儿或青少年发育是否良好。按照IBM的说法，量子体积越大，量子计算机的性能越好，可能解决的实际复杂问题也就越多。

    提出“量子摩尔定律”为时尚早

    IBM发现，该公司量子计算机的量子体积每年约增加一倍，性能也随之提升，这似乎也遵循着一种“摩尔定律”——

    2017年，IBM推出的5量子比特Tenerife设备的量子体积是4；2018年，该公司推出的20量子比特IBM Q设备的量子体积是8；2019年最新推出的20量子比特IBM Q System One的量子体积达到16。

    以此来看，IBM试图让量子计算机的量子体积实现每年翻一番，该公司就此提出了“量子摩尔定律”。

    与之类似，加拿大量子计算公司D-Wave甚至以摩尔定律作为参照，预测未来每两年量子计算机的量子比特数将增加一倍。

    “‘量子摩尔定律’或许很难站住脚，因为量子计算机目前还处在起步阶段。”安徽问天量子科技股份有限公司首席科学家、中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室教授韩正甫告诉科技日报记者，1965年由英特尔公司的共同创始人戈登·摩尔提出的摩尔定律是基于长期观测所得出的结论。

    相比较之下，截至目前量子计算机学界只积累了零星的实践数据。基于有限数据得出规律性的结论显然不够科学。“假设量子计算机从A点起步，现在刚刚走到B点。由于AB之间的距离很短，我们很难通过这条线预测量子计算机未来的发展趋势。”韩正甫说，目前而言提出“量子摩尔定律”或许为时尚早。

    起步阶段新概念会层出不穷

    实际上，IBM公司提出的“量子体积”这一概念本身就使人感到困惑。

    “我认为把‘Quantum Volume’翻译成‘量子体积’不合适。从中文字面意思上来看，很容易让人误以为‘量子体积’是指量子计算机外观的大小。但很显然，这与计算机的大小没有关系。这样表述不能真正说明问题的本质。”韩正甫认为，把“Quantum Volume”翻译成“量子规模”或许更为合适。

    也有业内人士提出，应把“Quantum Volume”译作“量子密度”，指设备在给定的空间和时间范围内实现的量子计算任务量。

    此时出现概念之争，实际上也是量子计算机发展到此阶段的必然产物。

    韩正甫表示，量子计算机在不同阶段会有不同标准，不同企业的标准也不尽相同。“我觉得最主要的标准应该是量子计算机能否解决具体情境中的问题，即证明‘量子优势’（即量子计算机的计算性能超越史上最强的经典计算机）。”但目前来看，现有的量子计算机距离实现“量子优势”这一目标还有一定距离。

    此外，各大企业开发量子计算机的技术方案差别很大，技术关卡位置存在差异，所以评判量子计算机性能的标准会各不相同且会层出不穷。“不能说某家公司先提出一个标准，这个标准就是通行的，还要看学界和业界的反应。”韩正甫说。

    把关注点放在能否解决问题上

    标准制定是一件很复杂的事情。

    “截至目前，我并不清楚‘量子体积’这一标准是如何评估计算机性能的。它涉及多少指标？每个指标占比多少？这些都还没有数据披露。”韩正甫表示，无论何种标准，都要以反映计算机解决问题的能力为核心。

    实际上，IBM公司的量子战略与生态副总裁罗伯特·苏托尔在去年的一次公开演讲中提出过类似理念：“我觉得很多标题、噱头看上去很有吸引力，但其实没有什么用。我们要对这些噱头提高警惕，保持理性和清醒，提升计算机能力才是关键。”

    中国科学技术大学教授陆朝阳曾抛出过这样一个问题：“如果你有足够多的资金，会投资通用计算机还是专用量子模拟器？”3位来自企业界的科学家回答出奇地一致：要以性能为选择标准。

    也就是说，要把关注点放在量子计算机能否实实在在地解决问题上。比如，在提升药物开发效率、流程优化等方面的能力能否超过传统计算机。

    不过，可以预见的是，在接下来一段时间，关于量子计算机依然会有新的概念出现。正如畅销书《未来版图》所言：没有一家大公司会放弃参与未来世界的基础建设和标准制定。