D-Wave再度升级:研发出2000量子比特量子计算机

要发掘出量子计算的真正潜力,我们可能还需要再等几十年,而 D-Wave 正在向着这个目标大步迈进,2016 年,这家公司承诺将在明年推出其已经得到了大幅改进的量子处理器。(量子计算大跃进?D-Wave 将于明年推出 2000 量子比特芯片)。目前,公司发布的最新机器模型已达 2,000 量子比特。虽然有关 D-Wave 最终潜力的质疑不绝于耳,但是,研究人员已在寻找这一机器的用武之地。


D - Wave 最新处理器可以处理 2,000 量子比特,远超之前的模型能力。


这家打造世界上唯一商用量子计算机的公司已经发布了到目前为止,公司最大的机器,而且研究人员也正在密切关注着。加拿大 D- Wave 公司用处理器的量子比特数命名的这台 2000Q,其能力远超之前模型。不同于其他尚出初期的量子计算机,长远来看,D-Wave 这类机器潜力如何,不少研究人员仍持怀疑态度。不过,也有其他研究人员已经认为用 D-Wave 解决机器学习、网络安全等难题已指日可待。


而且这次升级到 2000Q,亦即公司的第四代机器,已经大量吸取了研究人员反馈。


 NASA 阿姆斯研究中心的物理学家 Davide Venturelli 说,「我们正以科学家团体的身份对他们进行指导」。Davide Venturelli 正负责管理一个由非盈利组织——位于华盛顿的大学太空研究联合会(Universities Space Research Association,USRA)运营的计划,旨在让外部研究人员接触到一台 NASA 和谷歌共同拥有的 D-Wave 计算机。


据悉,D-Wave 也正在研发第五代模型,有望解决诸如更大功能、更多连接性等问题,希望能更加满足科学家研究需求。这一模型的研发工作可能在两年内启动,并再度翻倍既有量子比特数,达至 4,000 量子比特。关键是,新模型还能提供更加复杂的量子比特连接,让机器具有解决更加复杂问题的能力。


位于布拉格的 Charles University 物理学家 Mark Novotny 说,「改变底层连接会改变游戏规则,」他正在研究如何将 D- Wave 应用到网络安全上,「基本上,我很渴望实现这一点。这太激动人心了。」


六年前,当 D- Wave 上市后,这台机器不仅让众人惊喜,也招致了不少怀疑。到目前为止,研究人员已经证实,对于某个契合这台机器能力的问题来说,量子计算机会大大提升处理该问题的速度,力压传统算法(V. S. Denchev et al)。但是,这类机器并没有在每种传统算法上击败传统对手,人们还没有发现在解决哪个问题上,这类机器比所有传统对手表现更好。


较之于在更加传统的量子计算中建造量子比特,D-wave 要容易多了,但是,其量子状态也更加脆弱,控制精确性也更弱些。因此,尽管科学家现在认为 D-Wave 确实在计算过程中利用了量子现象,但是,一些人仍然怀疑这个办法在解决真实世界难题上,其速度会快过传统计算机——无论许多量子如何协作,也不管其布局如何。不过,不确定性无法阻止用户数量增长:去年九月,大约 100 名科学家参加了 D-Wave 首批用户会议,大会在新墨西哥州的圣达菲举行。


现有的 D-Wave 计算机都在美国,不过,全球研究人员都能远程接触到它们,包括参加诸如 USRA 这样的项目。计算机也正在吸引着新的研究人员,Venturelli 说,他正在尝试用 D-Wave 找到探测器自动安排运行时间、管理时间的最佳方法,他说,「现在,那些不涉及量子物理研究的大学也在尝试它们的算法。」


和其他量子计算机不同,D-Wave 仅用来解决某个问题,诸如优化问题。为了找到最优解决方案,研究人员首先将由超导回路(superconducting loops)打造的量子比特置入其最低能量状态,在这一状态下,每个都处于一个「开」、「关」叠加状态。然后,表征问题的磁场会轻轻将这一状态推进到一个新的状态下——亦即所谓的量子退货法。状态不断演进的同时也持维持着低能量状态,这样,当最终发生「坍塌」时,量子比特就能处在用来解决问题的最佳配置状态。因为系统会立刻筛选每个可能的答案,理论上,它就能以更快的方式解决难题,如果使用传统计算机解决这个难题,每增加一个变量,解决问题的难度会呈指数增长。但是,能以机器可以处理的方式提出研究问题意味着使用几个量子比特来表征某个单独变量,限制机器可以处理的问题的规模大小。


一台 D-Wave 机器正在研究星球探测车如何能自动进行任务、时间管理。


Novotny 说,「量子计算是一个新工具,所以,我们目前工作的一部分就是试图找到新工具的使用方式。」他正在研究机器学习算法(波兹曼机),用它来研究在线浏览量模式,识别出网络攻击。到目前为止,他的团队已经可以证明,对于小型样本,在识别诸如可能的网络攻击等方面,D-Wave 要比传统对手更高效,也更快速。


D-Wave 最新迭代包括一个 Novotny 呼吁过的升级。当不同量子比特组经历退火过程时,这一升级后的特征能增加过程的可控性。D-Wave 已经表明,至少在一个例子中,它将某次计算速度翻 1,000 番。对于 Novotny 来说,这一功能很关键,这样,他的团队就能在过程中「取样」量子比特,也为利用 D-Wave 探索不同类型的机器学习算法(识别更多复杂的网络攻击模式)打开了一扇门。


但是,研究人员期待更大连接性。Scott Pakin 是位于新墨西哥洲的**洛斯阿拉莫斯国家实验室的计算科学家,也是 D-Wave 科学技术负责人,去年八月,他拥有了一台 D-Wave 计算机。他说,**目前,处理器只能实现每六个量子比特之间的对话,「连接越丰富,用 D-Wave 解决问题就更容易,也更快。所以,这也是我最期待的一点。」


D-wave 正在重新设计其第五代处理器来大幅提升联结度,D-wave 负责技术的高级副总 Jeremy Hilton 说道。同时因为这次的提升涉及到硬件的彻底检修,新一代处理器将具备一个额外的好处:允许公司超越当前处理器设计设置的 10,000 量子比特的限制,他补充说。


距离 D-wave 倡导者所希望看到的——量子计算机运行速度是普通计算机运行速度的指数倍这一愿景,还有很长一段路要走。但是,一篇于 1 月 17 日发表的尚未进行同行评议的论文中,D-wave 的一个团队宣称其 2000Q 处理器解决问题的速度,是当前任一知名传统算法速度的 2600 倍(J. King et al. 2017)。现在轮到怀疑派们去找更快的传统算法了。德州大学奥斯汀分校的计算机科学家 Scott Aaronson 说,「据我所知,就这种情况,过去也遇到到两三次,结果,确实有一个不同的传统解决方法消除了所宣称的差距。」


Hilton 认为,今年 D-wave 将证明完成即使是最强劲的传统超级计算机都不可能实现的计算,他们的这个目标被竞争对手称为「量子霸权」。


「我们已经取得一些结果了,」他说,「我们正在与外部合作者一起审核这些结果,看看能否经得起检验。」


相关链接:


Science:实用量子计算机已近在咫尺

Nature:量子计算机或将在 2017 年走向实用化

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