近日，美國跨領(lǐng)域工業(yè)巨頭 Honeywell 集團(tuán)宣布，其量子計算研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造出目前世界上性能最優(yōu)的量子計算機(jī)，并已與微軟的云量子計算服務(wù) Azure Quantum 合作，將該設(shè)備向企業(yè)級用戶開放使用，標(biāo)價約為每小時一萬美元。

霍尼韋爾量子計算機(jī)的量子體積（Quantum Volume）為 64，其功能是業(yè)界下一個替代產(chǎn)品的兩倍。“使我們的量子計算機(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。

但說歸說，谷歌之前還說自己實(shí)現(xiàn)了量子計算中，象征著碾壓經(jīng)典計算運(yùn)算能力的量子優(yōu)越性，結(jié)果后來遭到了各種質(zhì)疑，甚至還被國內(nèi)的阿里 “糾正了錯誤”，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。

如何評判量子計算的運(yùn)算能力？

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

在此前，甚至是直到最近，很多媒體或公司在宣傳時還都是會以 “一臺設(shè)備有多少量子比特” 來衡量一臺設(shè)備的實(shí)際計算能力，但這其實(shí)是一種極不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖龇ǎ蚴橇孔颖忍貢蛟肼暬蜃陨硖匦远讼喔桑簿褪敲撾x其能正常工作的狀態(tài)，而一臺設(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，計算便會崩潰。

圖 | 構(gòu)成量子體積的因素表（來源：IBM）

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

一般，在我們考慮要不要買一輛車時，都會根據(jù)它的綜合性能做出判斷。而只通過一臺量子計算設(shè)備使用了多少個量子比特來衡量該設(shè)備的計算能力，就好比是只告訴你一輛車有多少個座位，然后讓你判斷這輛車好不好一樣，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的發(fā)動機(jī)參數(shù)、內(nèi)飾參數(shù)、能乘幾人、車內(nèi)空間和續(xù)航能力等多方面信息，最終匯集成一個綜合性指標(biāo)，它能讓你一下就知道這輛車究竟是好是壞。

事實(shí)上，根據(jù) IBM 所發(fā)布的信息，其所設(shè)計的量子體積參數(shù)其實(shí)是源于一個 “量子計算深度” 的概念，由于一些源于量子物理的根本問題，量子計算機(jī)在運(yùn)算時所使用的量子門不可避免地會產(chǎn)生運(yùn)算誤差，而量子計算設(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，就是量子計算機(jī)的計算深度。

當(dāng)然，一臺設(shè)備的量子比特數(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題，一臺設(shè)備所用的量子比特越多，其系統(tǒng)的復(fù)雜性也就越高，其計算也就越容易出錯，但由于根據(jù)可用的量子比特數(shù)，可運(yùn)行量子計算的算法也會不一樣，僅僅單看一臺設(shè)備的計算深度其實(shí)也并不靠譜，比如一臺僅有兩量子比特的設(shè)備的計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，即整合多個用于衡量量子計算設(shè)備的計算能力的指標(biāo)，用一個綜合指標(biāo)全面地衡量一臺量子計算設(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 “量子比特數(shù)、容錯率、量子門的并行性、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” 這一用于評估量子計算設(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，研究者還可通過優(yōu)化設(shè)備的其它設(shè)定，權(quán)衡每個參數(shù)每增加一點(diǎn)或減少一點(diǎn)對計算性能所帶來的影響，使設(shè)備的計算性能達(dá)到最優(yōu)，就好比汽車工程師在設(shè)計一款車時，是注重載客量多增加一個座位，還是注重車的速度和起步加速時間，少加一個座位，設(shè)計量子計算機(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，并通過量子體積這一參數(shù)直觀地顯示出，調(diào)整每個參數(shù)對整體運(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 （來源：IBM）

量子計算究竟哪家強(qiáng)？

在量子計算領(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算研發(fā)團(tuán)隊(duì)，并一直將主要研究方向放在 “量子計算機(jī)的實(shí)際構(gòu)建” 上。

如今，這臺號稱當(dāng)今最強(qiáng)量子計算機(jī)的問世，顯然是個里程碑。Honeywell 官方披露了它的部分構(gòu)建細(xì)節(jié)。

這臺量子計算機(jī)的 “主機(jī)”，是一個不銹鋼球體構(gòu)建的超高真空室，大約有一個籃球那么大，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)，電場使單個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，來進(jìn)行量子操作。

同時，有很多外部設(shè)備用來控制量子計算機(jī)。控制系統(tǒng)必須精確地操縱數(shù)百個獨(dú)立的電信號，進(jìn)而在量子信息算法中以復(fù)雜的舞蹈形式移動離子（量子比特）。由于所有操作都是通過激光完成的，因此在光學(xué)平臺上排列了多個光學(xué)元件，每個光學(xué)元件都指定了正確的光的顏色。所有這些基礎(chǔ)設(shè)施占用了大約兩個大光學(xué)平臺（大約 5 英尺寬和 20 英尺長），這占用了很大的空間，因?yàn)檎嬲挠嬎隳芰κ怯杀P旋在離子阱表面上的幾個原子所產(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 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)就解決了一個經(jīng)典計算機(jī)需花費(fèi)一萬年才能完成的運(yùn)算，但后來“經(jīng)典計算機(jī)是否真的需要花費(fèi)一萬年才能完成該運(yùn)算”這一問題一直在業(yè)內(nèi)爭議不斷。比如 IBM 就曾質(zhì)疑谷歌低估了經(jīng)典計算的運(yùn)算能力，認(rèn)為其在研究中測試所用那個運(yùn)算問題其實(shí)可以在對運(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)典計算機(jī)可能僅需幾天就能完成；而國內(nèi)的阿里研究團(tuán)隊(duì)也曾于前段時間發(fā)文稱，在特定條件下，經(jīng)典計算僅需 20 天就能完成谷歌之前測試所用的 “那個經(jīng)典計算需算一萬年” 的運(yùn)算問題。同時，針對另一個谷歌認(rèn)為經(jīng)典計算需花費(fèi)約1年時間才能完成的運(yùn)算，阿里的團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的經(jīng)典算法在對運(yùn)算做出特定限制的情況下，僅用了谷歌量子計算機(jī)所用時間的一半，就完成了運(yùn)算。

然而，雖然綜合考量了各個因素的量子體積理論上會比單純的量子比特數(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)頗佳的量子計算研究者、德州大學(xué)的 Scott Aaronson 就曾在今年 3 月時發(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)一臺量子計算設(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)際問題。’”

從理論走向現(xiàn)實(shí)

長久以來，量子計算機(jī)一直被人們賦予著 “能解決那些我們當(dāng)前無法解決的問題” 的期許，如交通和氣候變化問題，而就目前看來，雖然仍有爭議，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)險評級和欺詐偵測算法上的合作”，并稱 “摩根大通十分看好此次與 Honeywell 合作并使用 Honeywell 所研發(fā)的量子計算設(shè)備的機(jī)會。”

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

對未來的進(jìn)展，Honeywell 也是雄心勃勃，預(yù)計其所研發(fā)的量子計算設(shè)備將在未來 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算從理論帶入現(xiàn)實(shí)，逐漸將量子計算真正用于解決實(shí)際問題。

對此，IBM 的發(fā)言人 Steve Tomasco 表示，IBM 也將于今年年內(nèi)推出一臺量子體積為 64 的量子計算設(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 Honeywell 此次所取得的進(jìn)展做出任何回應(yīng)。