近日，美國(guó)跨領(lǐng)域工業(yè)巨頭 Honeywell 集團(tuán)宣布，其量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造出目前世界上性能最優(yōu)的量子計(jì)算機(jī)，并已與微軟的云量子計(jì)算服務(wù) Azure Quantum 合作，將該設(shè)備向企業(yè)級(jí)用戶開(kāi)放使用，標(biāo)價(jià)約為每小時(shí)一萬(wàn)美元。

霍尼韋爾量子計(jì)算機(jī)的量子體積（Quantum Volume）為 64，其功能是業(yè)界下一個(gè)替代產(chǎn)品的兩倍。“使我們的量子計(jì)算機(jī)如此強(qiáng)大的是擁有最高質(zhì)量的量子位和最低的錯(cuò)誤率。” 霍尼韋爾量子解決方案公司（Honeywell Quantum Solutions）總裁 Tony Uttley 表示。

但說(shuō)歸說(shuō)，谷歌之前還說(shuō)自己實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算中，象征著碾壓經(jīng)典計(jì)算運(yùn)算能力的量子優(yōu)越性，結(jié)果后來(lái)遭到了各種質(zhì)疑，甚至還被國(guó)內(nèi)的阿里 “糾正了錯(cuò)誤”，而若想了解此次 Honeywell 為何敢稱自己的設(shè)備為行業(yè)老大，我們首先需要了解 “量子體積” 這一概念。

如何評(píng)判量子計(jì)算的運(yùn)算能力？

量子體積由 IBM 在 2017 年提出，是用于衡量量子計(jì)算設(shè)備的計(jì)算能力的一個(gè)綜合指標(biāo)。

在此前，甚至是直到最近，很多媒體或公司在宣傳時(shí)還都是會(huì)以 “一臺(tái)設(shè)備有多少量子比特” 來(lái)衡量一臺(tái)設(shè)備的實(shí)際計(jì)算能力，但這其實(shí)是一種極不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖龇ǎ蚴橇孔颖忍貢?huì)因噪聲或自身特性而退相干，也就是脫離其能正常工作的狀態(tài)，而一臺(tái)設(shè)備所使用的量子比特總數(shù)越多，其整體的噪聲也就越高，而當(dāng)退相干的量子比特達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，計(jì)算便會(huì)崩潰。

圖 | 構(gòu)成量子體積的因素表（來(lái)源：IBM）

這里，我們可以用選購(gòu)汽車(chē)的例子來(lái)類比，看看 “用不同標(biāo)準(zhǔn)衡量量子計(jì)算設(shè)備的計(jì)算能力” 所帶來(lái)的實(shí)際效果。

一般，在我們考慮要不要買(mǎi)一輛車(chē)時(shí)，都會(huì)根據(jù)它的綜合性能做出判斷。而只通過(guò)一臺(tái)量子計(jì)算設(shè)備使用了多少個(gè)量子比特來(lái)衡量該設(shè)備的計(jì)算能力，就好比是只告訴你一輛車(chē)有多少個(gè)座位，然后讓你判斷這輛車(chē)好不好一樣，盡管是一項(xiàng)重要參考指標(biāo)，但非常片面，不能給人一種 “全局感”。相比之下，量子體積這一概念則更像是綜合了車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、內(nèi)飾參數(shù)、能乘幾人、車(chē)內(nèi)空間和續(xù)航能力等多方面信息，最終匯集成一個(gè)綜合性指標(biāo)，它能讓你一下就知道這輛車(chē)究竟是好是壞。

事實(shí)上，根據(jù) IBM 所發(fā)布的信息，其所設(shè)計(jì)的量子體積參數(shù)其實(shí)是源于一個(gè) “量子計(jì)算深度” 的概念，由于一些源于量子物理的根本問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)在運(yùn)算時(shí)所使用的量子門(mén)不可避免地會(huì)產(chǎn)生運(yùn)算誤差，而量子計(jì)算設(shè)備能在運(yùn)算誤差大到運(yùn)算結(jié)果喪失意義前，所能進(jìn)行的最大運(yùn)算量，就是量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算深度。

當(dāng)然，一臺(tái)設(shè)備的量子比特?cái)?shù)與深度值之間，存在著一種 “類反比” 的關(guān)系。如之前所提到的噪聲問(wèn)題，一臺(tái)設(shè)備所用的量子比特越多，其系統(tǒng)的復(fù)雜性也就越高，其計(jì)算也就越容易出錯(cuò)，但由于根據(jù)可用的量子比特?cái)?shù)，可運(yùn)行量子計(jì)算的算法也會(huì)不一樣，僅僅單看一臺(tái)設(shè)備的計(jì)算深度其實(shí)也并不靠譜，比如一臺(tái)僅有兩量子比特的設(shè)備的計(jì)算深度雖然大到不行，但其能實(shí)際進(jìn)行的運(yùn)算卻少的可憐，可以說(shuō)并不具有太大的實(shí)際意義。

這也正是 IBM 提出量子體積這一概念的初衷，即整合多個(gè)用于衡量量子計(jì)算設(shè)備的計(jì)算能力的指標(biāo)，用一個(gè)綜合指標(biāo)全面地衡量一臺(tái)量子計(jì)算設(shè)備的真實(shí)運(yùn)算能力，結(jié)束業(yè)內(nèi)衡量標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的亂象。

因此，在綜合了包括 “量子比特?cái)?shù)、容錯(cuò)率、量子門(mén)的并行性、相干性、量子比特間的量子態(tài)串行的可能性” 等一系列參數(shù)在內(nèi)的各種指標(biāo)后，IBM 提出了 “量子體積” 這一用于評(píng)估量子計(jì)算設(shè)備運(yùn)算能力的綜合性能值，從某種程度上重新定義了衡量量子計(jì)算運(yùn)算能力的方法。比如很多情況下，如果給定量子比特的數(shù)量，研究者還可通過(guò)優(yōu)化設(shè)備的其它設(shè)定，權(quán)衡每個(gè)參數(shù)每增加一點(diǎn)或減少一點(diǎn)對(duì)計(jì)算性能所帶來(lái)的影響，使設(shè)備的計(jì)算性能達(dá)到最優(yōu)，就好比汽車(chē)工程師在設(shè)計(jì)一款車(chē)時(shí)，是注重載客量多增加一個(gè)座位，還是注重車(chē)的速度和起步加速時(shí)間，少加一個(gè)座位，設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)的研究人員也需在各項(xiàng)參數(shù)之間做好平衡，才能實(shí)現(xiàn)其理想的最優(yōu)結(jié)果，并通過(guò)量子體積這一參數(shù)直觀地顯示出，調(diào)整每個(gè)參數(shù)對(duì)整體運(yùn)算性能所構(gòu)成的影響。

圖 | IBM的 20 量子比特設(shè)備的運(yùn)算能力優(yōu)化歷程 （來(lái)源：IBM）

量子計(jì)算究竟哪家強(qiáng)？

在量子計(jì)算領(lǐng)域，Honeywell 憑借其此前在低溫物理及激光設(shè)備制造上的經(jīng)驗(yàn)，于五年前組建了一支由一百多名工程師和研究員所組成的量子計(jì)算研發(fā)團(tuán)隊(duì)，并一直將主要研究方向放在 “量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際構(gòu)建” 上。

如今，這臺(tái)號(hào)稱當(dāng)今最強(qiáng)量子計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，顯然是個(gè)里程碑。Honeywell 官方披露了它的部分構(gòu)建細(xì)節(jié)。

這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的 “主機(jī)”，是一個(gè)不銹鋼球體構(gòu)建的超高真空室，大約有一個(gè)籃球那么大，有可以接收激光的入口，內(nèi)部是真空的，其真空度比外太空還小五倍。用液氦對(duì)該腔室進(jìn)行低溫冷卻，以使其中的芯片離子阱系統(tǒng)保持在零下 263℃（絕對(duì)零度以上 10 度，比冥王星表面溫度低）附近。

離子阱系統(tǒng)的主體是一個(gè)硅芯片，其約有四分之一表面被金子所包裹。在腔室內(nèi)，電場(chǎng)使單個(gè)原子懸浮在離子阱上方 0.1 毫米處。科學(xué)家用激光照射這些帶正電荷的原子，來(lái)進(jìn)行量子操作。

同時(shí)，有很多外部設(shè)備用來(lái)控制量子計(jì)算機(jī)。控制系統(tǒng)必須精確地操縱數(shù)百個(gè)獨(dú)立的電信號(hào)，進(jìn)而在量子信息算法中以復(fù)雜的舞蹈形式移動(dòng)離子（量子比特）。由于所有操作都是通過(guò)激光完成的，因此在光學(xué)平臺(tái)上排列了多個(gè)光學(xué)元件，每個(gè)光學(xué)元件都指定了正確的光的顏色。所有這些基礎(chǔ)設(shè)施占用了大約兩個(gè)大光學(xué)平臺(tái)（大約 5 英尺寬和 20 英尺長(zhǎng)），這占用了很大的空間，因?yàn)檎嬲挠?jì)算能力是由盤(pán)旋在離子阱表面上的幾個(gè)原子所產(chǎn)生的。

根據(jù) Honeywell 目前所提供的信息，此次推出的設(shè)備的量子體積值為 64，相比之下，IBM 目前已知的最新機(jī)器（于今年一月時(shí)公布）的量子體積值僅為 32。而谷歌雖然曾于去年秋季宣布其所研制的一臺(tái) 53 量子比特的設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，在 200 秒內(nèi)就解決了一個(gè)經(jīng)典計(jì)算機(jī)需花費(fèi)一萬(wàn)年才能完成的運(yùn)算，但后來(lái)“經(jīng)典計(jì)算機(jī)是否真的需要花費(fèi)一萬(wàn)年才能完成該運(yùn)算”這一問(wèn)題一直在業(yè)內(nèi)爭(zhēng)議不斷。比如 IBM 就曾質(zhì)疑谷歌低估了經(jīng)典計(jì)算的運(yùn)算能力，認(rèn)為其在研究中測(cè)試所用那個(gè)運(yùn)算問(wèn)題其實(shí)可以在對(duì)運(yùn)算策略進(jìn)行優(yōu)化，并采用先進(jìn)算法（比如張量網(wǎng)絡(luò)）的情況下，經(jīng)典計(jì)算機(jī)可能僅需幾天就能完成；而國(guó)內(nèi)的阿里研究團(tuán)隊(duì)也曾于前段時(shí)間發(fā)文稱，在特定條件下，經(jīng)典計(jì)算僅需 20 天就能完成谷歌之前測(cè)試所用的 “那個(gè)經(jīng)典計(jì)算需算一萬(wàn)年” 的運(yùn)算問(wèn)題。同時(shí)，針對(duì)另一個(gè)谷歌認(rèn)為經(jīng)典計(jì)算需花費(fèi)約1年時(shí)間才能完成的運(yùn)算，阿里的團(tuán)隊(duì)所開(kāi)發(fā)的經(jīng)典算法在對(duì)運(yùn)算做出特定限制的情況下，僅用了谷歌量子計(jì)算機(jī)所用時(shí)間的一半，就完成了運(yùn)算。

然而，雖然綜合考量了各個(gè)因素的量子體積理論上會(huì)比單純的量子比特?cái)?shù)更為可靠，但也并不是所有人都認(rèn)可這一衡量標(biāo)準(zhǔn)。比如在業(yè)內(nèi)名譽(yù)頗佳的量子計(jì)算研究者、德州大學(xué)的 Scott Aaronson 就曾在今年 3 月時(shí)發(fā)博客稱，“盡管 ‘量子體積’ 確實(shí)是往正確的方向邁出了一步（在整合標(biāo)準(zhǔn)的意義上），但我并不認(rèn)為它能真實(shí)地體現(xiàn)一臺(tái)量子計(jì)算設(shè)備的實(shí)際運(yùn)算能力。要知道，我們離所謂的‘量子優(yōu)越性其實(shí)還差的很遠(yuǎn)，雖然統(tǒng)一衡量標(biāo)準(zhǔn)很重要，但這并不足以幫我們解決實(shí)際問(wèn)題。’”

從理論走向現(xiàn)實(shí)

長(zhǎng)久以來(lái)，量子計(jì)算機(jī)一直被人們賦予著 “能解決那些我們當(dāng)前無(wú)法解決的問(wèn)題” 的期許，如交通和氣候變化問(wèn)題，而就目前看來(lái)，雖然仍有爭(zhēng)議，但 Honeywell 此次所推出的設(shè)備或確實(shí)能被稱作是目前業(yè)內(nèi)能力最強(qiáng)的 “通用型” 量子計(jì)算機(jī)。

早在今年 5 月，摩根大通的研發(fā)主管 Marco Pistoia 就曾表示，“摩根大通期待與 Honeywell 在信用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)和欺詐偵測(cè)算法上的合作”，并稱 “摩根大通十分看好此次與 Honeywell 合作并使用 Honeywell 所研發(fā)的量子計(jì)算設(shè)備的機(jī)會(huì)。”

除了摩根大通，Honeywell 稱還有其它許多公司也對(duì)在云端租賃其設(shè)備抱有很大興趣，但尚未透露這些公司的名稱。

對(duì)未來(lái)的進(jìn)展，Honeywell 也是雄心勃勃，預(yù)計(jì)其所研發(fā)的量子計(jì)算設(shè)備將在未來(lái) 5 年內(nèi)，每年都能將量子體積提升 10 倍，并稱公司正將量子計(jì)算從理論帶入現(xiàn)實(shí)，逐漸將量子計(jì)算真正用于解決實(shí)際問(wèn)題。

對(duì)此，IBM 的發(fā)言人 Steve Tomasco 表示，IBM 也將于今年年內(nèi)推出一臺(tái)量子體積為 64 的量子計(jì)算設(shè)備，并稱 “IBM 很高興業(yè)內(nèi)承認(rèn) ‘量子體積’ 這一標(biāo)準(zhǔn)的群體正在逐漸擴(kuò)大。” 而谷歌則還未對(duì) Honeywell 此次所取得的進(jìn)展做出任何回應(yīng)。