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量子退火机工作原理及其竞争格局分析

2020-10-13 16:41
光子盒
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D-Wave,全球首家量子计算公司,成立于1999年,但直到2007年首台量子退火计算机Orion才宣告成功。八年间,谷歌已经从初创公司成长为科技巨头。

D-Wave受到人们关注,但又饱受非议,许多研究人员认为D-Wave的机器根本不是量子计算机,因为做不到每个量子比特相互连接。

随着洛克希德·马丁、谷歌、NASA等一大批客户对D-Wave的认可,十年来量子退火逐渐站上了世界舞台的中心,已经成为目前应用最广泛的量子计算方法。

来自日本的量子退火

目前量子退火(Quantum annealing)计算机的商用化进程快于门模型(Gate model)量子计算机,但量子退火的诞生远远晚于门模型。

量子计算的概念最早由费曼提出,1985年英国物理学家David Deutsch进一步发展了费曼的构想,研究如何在量子力学领域实现计算机的原型图灵机。

他想到了“量子线路”,通过这种方法,将经典计算机中负责运算处理的逻辑电路(门)扩展到了量子力学领域。

门模型量子计算机,被称为“通用型”,因为它可以处理任何计算任务。但缺点是量子比特很难保持稳定,这个问题随着量子比特数目的增加而增加。

D-Wave公司创始人Geordie Rose最初也是计划研发量子门量子计算机,因为当时量子门被认为是实现量子计算机的唯一方法。

1998年,东京工业大学教授西森秀稔和当时还是博士研究生的门胁正史在论文中首次提出量子退火理论。但是,远在加拿大的Rose并没有了解到这个理论,以至于他在最初几年里苦苦挣扎。

将公司命名为D-Wave,是因为他们最初研发的量子比特使用了“d波超导体”材料。d波超导体是指高温超导体,他们尝试通过高温超导制备量子比特,但未能成功。

后来,Rose尝试用金属铌的微小电流环来构建量子比特,但仍与他希望实现的拥有数百和数千量子比特的计算机相距甚远。

眼看D-Wave无路可走,麻省理工学院教授Seth Lloyd和Edward Farhi找到Rose,告诉他“或许可以尝试绝热量子计算”,Rose从他们的建议中受到了启发。

Farhi等人在2001年也发表了一篇关于量子退火的论文。他们没有使用“量子退火”这个名词,而是将其称为“绝热量子计算”,不过后来人们认识到,这种算法的思路在本质上与量子退火是一样的。

采用量子退火方式的一个重要优点是,其系统要比量子门方式更为稳定。

这就是后来量子退火在北美获得迅猛发展的起点。但应用量子退火算法的量子计算机,不再是通用型量子计算机,而是解决组合优化问题的专用机器了。

历经艰难研发,2007年,拥有16量子比特的Orion终于宣告成功,D-Wave公司进行了小规模的图形识别、数独问题解答等演示,受到人们关注。

首位客户出现在2011年,美国航天航空制造商洛克希德·马丁公司决定购买128量子比特系统D-Wave 1,用来寻找飞行控制系统的程序瑕疵,这是一个组合优化问题。

他们发现,同样的问题,使用公司内部的系统需要耗费几个月时间,而D-Wave量子退火计算机只需几个星期就能解决,便决定购买。

到了2013年,谷歌和NASA决定联手购买512量子比特系统D-Wave 2。谷歌也设立了量子人工智能实验室,旨在利用量子计算推动机器学习;NASA对量子计算机感兴趣,则是因为空间探索离不开资源配置优化的问题。

2015年,他们将这台机器升级为D-Wave 2X,可用量子比特数目也由512个大幅增加到1000个以上。同年12月,谷歌和NASA在发布会上公布了他们的测试结果:在解决某些特定问题时,D-Wave量子计算机的运行速度比经典计算机快1亿倍。

90年代时,人们普遍认为量子计算机距离实用化还需要50年以上的时间,但D-Wave的诞生将时间线提前了几十年。而D-Wave的成功,离不开日本的研究和发明。

量子退火理论本是西森秀稔等人在东京工业大学提出的,就在同一时期,日本电气(NEC)研究所的蔡兆申和中村泰信也在全世界率先实现了首个超导量子比特——采用约瑟夫森结耦合的超导电路。D-Wave的量子比特也采用了这种超导电路。

此外,D-Wave量子退火机还使用了量子通量参变器(QFP)来增强量子比特的信号。量子通量参变器是东京大学后藤英一教授在1986年发明的。后藤在上世纪90年代出版了多本介绍QFP的英文书籍,D-Wave的研究人员正是由此获得了启发。

讽刺的是,量子退火机的核心技术多是在日本发明的,最终实现商用化的却是加拿大的创业公司。面对落后的局面,包括西森在内的日本学者进行了反思。

东京工业大学提出量子退火理论和NEC实现超导量子比特,几乎同时进行,然而由于双方没有交流,最终也未能开展合作。相反,美国十分重视组织间的合作,这也是中国需要学习的地方。

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