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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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中科院量子信息重点实验室教授、问天量子创始人韩正甫说:“这台由日本科研人员用光学器件构成的量子退火机和D-Wave公司用超导器件构成的量子退火机比较,在某些指标上相对优越。”

另外NEC在2018年12月宣布了一项量子退火机研发计划。不过产品仍在开发之中,同时NEC向D-Wave投资1000万美元,与后者开展量子退火技术的合作。NEC最终目标是要打造能够支撑10万个量子比特的量子退火机。

量子退火机简史

NEC超导量子退火机模型

其他玩家还包括日本电报电话公司(NTT)、日立、富士通,但前两家公司还没有退火产品问世,NTT与NASA、斯坦福大学等正在研发基于门的量子计算机,只有富士通研制成功数字退火计算机。

富士通的数字退火方法是利用数字计算机架构模拟量子退火。不过这种方法并不完全是量子退火,而是利用C-mos电路进行量子退火模拟,该技术来自日立公司。

其工作原理与D-Wave量子退火机相似,但D-Wave的系统使用只能在极低温下工作并且非常容易受噪声干扰的超导元件,而C-mos退火可以利用能在室温下工作的成熟的半导体技术,因此容易实现系统的大规模化。

富士通称,“数字退火”通过8192比特规模全组合,是唯一解决了组合优化问题的实用化计算机。日本超级计算机“京”需要8亿年时间才能完成的运算,数字退火计算只需一秒即可完成。

富士通数字退火机已经提供第一代1024比特云服务,第二代DAU(数字退火器单元)的精度和规模更高,能够解决金融等领域高精度要求和化学等领域大规模计算问题,适用领域更大。

2020年,西班牙金融机构BBVA与富士通公司合作进行了静态投资组合优化的概念证明,他们使用富士通数字退火机使用传统算法来模拟技术特征。结果表明,与传统方法相比,当需要引入100多种资产或因素时,这种设备可以获得更好的结果。

然而,C-mos退火也有一些缺陷,虽然都用了伊辛模型,但C-mos退火比特间的耦合作用不如D-Wave。C-mos退火目前只能解决部分简单的组合优化问题,对于机器学习和人工智能而言,C-mos退火计算没有太多实用价值的。

除了D-Wave和日本,目前欧洲也在研发量子退火机。欧洲高能物理研究所(IFAE)量子计算技术组将开展首个大规模量子退火项目AVaQus,项目总金额为3年300万欧元。该项目共8个合作伙伴,5个研究中心和3个量子初创公司。

该项目参与者认为量子退火可以替代基于量子逻辑门的嘈杂中型量子计算机(NISQ),在中短期实现有效的量子应用。

欧洲信息技术公司Atos宣布已开发新型量子退火模拟器,从而掌握量子计算两个主要技术途径:通过新型量子解决方案,进行量子退火模拟;通过现有学习机产品Atos QLM,实现通用门量子计算。Atos的量子退火模拟器将于2020年第4季度面世。

从量子计算的发展阶段来看,通用量子计算机和量子退火机不是替代和被替代的关系,正如量子计算机也不会完全替代经典计算机,只是在经典计算机不擅长的领域发挥作用。而量子退火机在解决组合优化问题时,目前是优于通用量子计算机的。

可以预见的是,未来很长一段时间,世界各国对量子退火机的热情是不会消减的。

参考:

西森秀稔,大关真之《量子计算机简史》

-End-

1930年秋,第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”,公众号名称正源于此。

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