IBM提出量子摩爾定律：性能每年翻一番
受制於物理極限，半導體微縮技術在最近幾年已經變得越來越難。在半導體漸至極限之後，量子計算重新回到大眾的視野當中，英特爾和IBM這兩年持續持續更新量子計算機的最新進程。英特爾在3月初公布了用於量子比特收集的「低溫晶圓探針」，能提升量子數據的收集。
IBM則在2019 年美國物理學會三月會議上宣布迄今為止最高的量子體積，同時發布量子性能的「摩爾定律」，宣布「量子霸權」的到來。按照IBM公布的「量子計算摩爾定律」，量子體積每年將至少增加一倍。
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IBM在2017年的Tenerife設備(5-qubit) 已經實現了4 量子體積;2018年的IBM Q(20-qubit)的量子體積為8;2019 年最新推出的IBM Q System One(20-qubit)設備的量子體積達到16，IBM從2017年以來，實現了量子體積每年翻了一番。IBM為了2020年實現量子霸權，發現並提出與半導體的「摩爾定律」非常相似的「量子計算摩爾定律」，量子計算機實現的量子體積每年將增加一倍。
為了在10年內實現量子霸權，IBM在本次會議上提出一個專用性能指標——量子體積(Quantum Volume)。量子體積是衡量量子霸權(Quantum Advantage, 又稱量子優勢) 進展的一個基本性能指標，其影響因素包括量子比特數、門和測量誤差、設備交叉通信、以及設備連接和電路編譯效率等。
量子應用程序能夠為量子計算機帶來超越傳統計算機能力的重大突破。IBM還詳細闡述「量子體積」的概念和意義，量子體積越大，量子計算機的性能就越強大，能夠解決的實際問題就越多。特定量子計算機的性能可以在兩個層面上表示：第一是與晶元中基礎量子位相關的度量「量子器件」;第二是整個量子計算機系統性能。
IBM通過比較Q System One量子器件的基本指標，展示量子體積在測試中的性能。
IBM 平均兩個量子比特門誤差小於2%，最佳門錯誤碼率小於1%;平均受到相干時間的限制為73μs;平均兩比特率誤差率在相干極限的兩倍(1.68倍)之內，該極限即由量子位T1和T2設定的理論極限(IBM QSystem One平均為74μs和69μs)。
IBM的Q System One的性能可以體現在最優性能/最低錯誤率數字中，控制項引起的誤差非常小，已經接近最高量子比特的保真度。
IBM在博客上發表了一篇論文，並公布IBM Q Network系統「Tokyo」和「Poughkeepsie」，同時公開IBM Q Experience系統「Tenerife」的性能數據。通過System Q One的幾個模型測試結果的概述，詳細描述了如何測試「量子體積」的指標，和這個指標如何計算。IBM在論文中指出，新的度量標準「量化了計算機成功實現的最大寬度和深度相同的隨機電路」，並指出它還與錯誤率密切相關。
IBM的System One除了提供目前最高的量子體積之外，IBM測量到平均2-qubit gate的錯誤率小於2%，也是目前量子計算機中最低的錯誤率，其最佳gate的錯誤率小於1%。低錯誤率對於量子計算機來說非常重要，因為要想構建功能完備、大規模、通用、容錯的量子計算機，需要較長的相干時間和較低的錯誤率。
圖4
為了在2020年代實現量子優勢，IBM提出的量子摩爾定律明確表示，量子體積每年將至少增加一倍。為IBM Q Experience量子云服務提供的五量子比特設備Teumife在2017年實現了4量子體積，2018年的Q 20為8量子體積，2019年的Q System One則達到16量子體積，已經實現了每年翻一番的目標。
IBM的量子摩爾定律
半導體摩爾定律
通過對比Gordon Moore在1965年4月19日提出的「摩爾定律」和IBM最新的「量子摩爾定律」，可以發現兩者非常多的相似之處。
IBM的量子系統為了實現0.01%的誤差率，需要將相干時間提高到1-5毫秒，但實現這一目標需要克服很多挑戰。在制定系統路線圖時，需要研究元器件的基本物理特性，並測量單個超導傳輸量子比特T1弛豫時間長達0.5毫秒(500微秒，質量因數為1500萬)。研究結果表明這些器件不存在基本材料上的限制問題。
IBM提出的「量子體積」概念可以作為標示設備性能的指標，但業界同樣可以設置一個新的性能標準來取代，例如從測量設備上提取有關係統性能的糾纏量子位就可以作為性能標準。
GHZ創建前
GHZ創建後
多量子位糾纏是一個簡單的衡量標準，其通過n-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)狀態的斷層攝影，在不同基礎上的各個量子位的投影，重新創建系統創狀態。可完全描述未知量子態的相同集合過程，實現的實驗狀態相對於目標狀態的保真度。
多量子位糾纏的狀態層析成像對測量誤差很敏感，如果不去除誤差帶來的技術影響，在4量子位GHZ狀態的保真度為0.66。但是通過額外校準測量來確定誤差的倒數，並對層析成像數據進行測量校正，保真度提升至0.98。但這些誤差值不包括誤差線，誤差線將包含由於狀態準備和測量誤差引起的統計噪音和系統噪音。Qiskit Ignis的主要走勇士測量誤差和降噪，是一種理解、降低量子電路和器件噪音的框架，也是IBM的開源量子開發套件Qiskit的一部分。
IBM Q System One上的真正糾纏狀態的初步測量中發現，該系統共有18個量子比特糾纏。
戈登·摩爾曾在1965年斷言：「集成電子技術的未來是電子產品本身的未來。」而IBM現在相信，量子計算的未來將成為計算機本身的未來。
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