量子的飛躍：下一代D-Wave量子芯片計(jì)算速度能快1000倍

　　我們也許離真正解鎖量子計(jì)算的真實(shí)力量還很遠(yuǎn)，但是D-Wave承諾通過其顯著升級的量子處理器讓我們一嘗未來的滋味。

　　當(dāng)其明年初發(fā)布時(shí)，這家加拿大公司新的量子芯片將能處理2000量子比特的數(shù)據(jù)(qubits)，幾乎是現(xiàn)有D-Wave 2X系統(tǒng)中處理器可用數(shù)量的兩倍，同時(shí)能夠比前代產(chǎn)品的處理速度快1000倍。

　　D-Wave機(jī)器都是價(jià)值數(shù)百萬美元的電腦，其使用“量子晶體管”來處理數(shù)據(jù)，另外使用液氮來冷卻細(xì)小的環(huán)形鈮到絕對零度。只有很少一些地方在使用這個系統(tǒng)，包括谷歌和高?？臻g研究學(xué)會(Universities Space Research Association)、洛克希德馬丁(Lockheed Martin)和洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(Los Alamos National Laboratory)。此外，D-Wave也提供云端服務(wù)允許用戶來訪問它的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　量子計(jì)算仍然大部分處于理論研究階段，其主要研究如何利用的奇怪和違反直覺的方式，在原子水平上開發(fā)非常強(qiáng)大的機(jī)器。對于某些特定任務(wù)，量子計(jì)算機(jī)有潛力比現(xiàn)有的系統(tǒng)要明顯快上許多倍，同時(shí)更加節(jié)能。但是通用的量子計(jì)算機(jī)目前還不存在，D-Wave系統(tǒng)利用不同的原子行為特性(比如糾纏和狀態(tài)疊加等)來解決一系列困難的計(jì)算問題。

　　“我們選擇的方向發(fā)展十分迅速，幾乎每年量子比特的數(shù)目都會翻一倍。”D-Wave業(yè)務(wù)發(fā)展和戰(zhàn)略合作伙伴Colin Williams說道。

　　提升D-Wave處理器中的量子比特使得系統(tǒng)更加靠近擁有挑戰(zhàn)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的能力，同時(shí)新的處理器也支持添加新的特性(允許進(jìn)行更有效地運(yùn)算)。

　　“從內(nèi)部測試來看，這是一個非常值得去做的事情。通過利用這種特性我們已經(jīng)加速了1000倍去解決那些存在的問題。”劍橋CW TEC的William這樣說道。

　　如果按照今日的計(jì)算機(jī)來類比的話，D-Wave系統(tǒng)不是通用的計(jì)算機(jī)。

　　D-Wave能做的遠(yuǎn)不止你要求的任一計(jì)算任務(wù)，它被設(shè)計(jì)來是處理一些特定的任務(wù)(像無約束二進(jìn)制優(yōu)化及相關(guān)取樣問題等)。有關(guān)這類優(yōu)化問題可以舉一個非常簡單的例子，你要制定一個房子的規(guī)劃，它要盡可能符合你心目中理想的條件、細(xì)節(jié)，但是又要保持在你的預(yù)算范圍中。

　　D-Wave處理器能夠執(zhí)行的特定工作也能應(yīng)用到一系列領(lǐng)域中，特別是訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

　　然而，建立通用的量子計(jì)算機(jī)仍然存在十分巨大的困難，有幾個尚未解決的工程難題擺在面前。UCL納米電子學(xué)和光子學(xué)教授John Morton通過過去芯片發(fā)展趨勢推算，預(yù)測第一代通用量子計(jì)算處理器不會在21世紀(jì)30年代之前出現(xiàn)。

　　John Morton提到僅僅一個計(jì)算器的話并不能稱為計(jì)算機(jī)，因此D-Wave系統(tǒng)并不能說是一個通用的量子計(jì)算機(jī)。“一個計(jì)算器能夠解決許多特定的問題。很多人都在使用它，并且你也能在不同的工業(yè)領(lǐng)域中使用它。因此當(dāng)D-Wave展示出很多個工業(yè)領(lǐng)域中都可以運(yùn)用它們的機(jī)器時(shí)，也許確實(shí)其可以被應(yīng)用到該領(lǐng)域中，但是它仍然只是一個特定的設(shè)備而已。”

　　雖然谷歌目前并沒有將D-Wave運(yùn)用到自身的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，但是D-Wave處理器的可信度(一直有學(xué)術(shù)界人士質(zhì)疑)在去年谷歌的一個實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

　　在谷歌的實(shí)驗(yàn)中，處理同樣大小數(shù)據(jù)量時(shí)D-Wave所需要的退火時(shí)間要少幾個數(shù)量級，下圖所示為模擬退火方法(SA),量子蒙特卡洛方法及D-Wave 2X在執(zhí)行退火操作所用時(shí)間的對比結(jié)果。

　　該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)D-Wave 2X處理器在進(jìn)行相似的操作中比傳統(tǒng)的處理器要快上1億倍，不過Williams說更重要是，這證明了D-Wave的芯片在未來的可行性。

　　實(shí)驗(yàn)中也為我們展示了D-Wave 2X處理器在處理弱-強(qiáng)集群網(wǎng)絡(luò)問題方面的幾個實(shí)例的布局圖(見下圖)。圖中所示為三個不同規(guī)模大小的網(wǎng)絡(luò)295,490，945量子比特。每一個集群由Chimera圖的一個8量子比特單元構(gòu)成。橙色的點(diǎn)所描述的是一個強(qiáng)局部場的量子比特，藍(lán)綠色的點(diǎn)代表弱場的量子比特。藍(lán)色線代表強(qiáng)磁耦合，紅色線代表強(qiáng)反磁耦合。注意，由于并不是所有的1152量子比特都具有可操作性，所得到的圖像可能呈現(xiàn)無規(guī)律性。

　　“該實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果并不完全是速度的提升，因?yàn)樵谄渌?jīng)典算法上能夠做到更好。這個實(shí)驗(yàn)表明量子隧穿真的在D-Wave芯片中發(fā)生著。這說明即便隧穿范圍是有限的，它仍然是一個有用的計(jì)算工具。”

　　“谷歌同我們一樣明白，當(dāng)我們進(jìn)一步使得芯片更加緊密連接時(shí)，目前運(yùn)行良好的經(jīng)典算法將會馬上完全失敗。”Williams另外提到。

　　D-Wave已經(jīng)從許多投資者那邊募集了幾百萬美金，投資者包括高盛投資銀行、In-Q-Tel(美國中央情報(bào)局投資部)、Bezos Expeditions(亞馬遜創(chuàng)始人Jeff Bezos)以及BDC Capital、Harris & Harris Group和DFJ。

　　一臺能夠模仿人類說話的機(jī)器

　　D-Wave芯片太過于專業(yè)化，反而限制了其實(shí)用性，這是關(guān)于這種芯片的另一種批判性觀點(diǎn)，但是， Willams并不贊同這種觀點(diǎn)。

　　“認(rèn)為D-Wave芯片用途過于單一，我不贊同這種觀點(diǎn)。事實(shí)上，該種芯片在一個領(lǐng)域的應(yīng)用能夠被擴(kuò)展到更多不同的領(lǐng)域”，他表示。