關(guān)鍵字：D-Wave 首款量子計算機(jī) C++編程 電子實(shí)驗(yàn)室模塊
最近，我得向一名讀者解釋為什么批評人士指稱D-Wave的“量子計算機(jī)”并不是“真正的”量子計算機(jī)，他最后可能礙于我在這個領(lǐng)域的“權(quán)威”而接受了我的答案。然而，這個問題一直在我的腦海中揮之不去：如果它不是真的量子計算機(jī)，為什么D-Wave以此名號營銷？為了追根究底，我向D-Wave Systems處理器開發(fā)副總裁Jeremy Hilton請教了這個問題：“為什么批評人士一直說你們的產(chǎn)品不是真的量子計算機(jī)呢？”
D-Wave是真正的量子計算機(jī)嗎？
“量子運(yùn)算的神圣目標(biāo)在于打造一款『通用』的量子計算機(jī)——不僅能夠解決任何運(yùn)算問題，而且其速度更超越當(dāng)今最快的超級計算機(jī)，”Hilton表示，“這就是為什么有人說我們并非『真正』開發(fā)出量子計算機(jī)的理由，因?yàn)镈-Wave并不是一款『通用的計算機(jī)』。”
D-Wave的量子計算機(jī)只能解決優(yōu)化的問題，也就是那些能以線性等式表達(dá)的問題。這種線性等式中包含了許多變數(shù)，每一個變量都各有其加權(quán)值(相乘每一變量的倍數(shù)數(shù)值)。通常，用傳統(tǒng)的“通用計算機(jī)”難以解決這種線性等式問題，必須利用多次反復(fù)為變量找到最佳數(shù)值組合。然而，利用D-Wave的特定應(yīng)用量子計算機(jī)，可在一個單次周期中解決問題。
“我們認(rèn)為，以特定應(yīng)用的量子處理器作為起點(diǎn)，可說是實(shí)現(xiàn)通用量子計算機(jī)的最佳發(fā)展方式——它可望成為邁向神圣目標(biāo)的利基點(diǎn)，”Hilton說：“而這就是D-Wave正在做的一切——我們正是利用量子位來優(yōu)化問題。”
D-Wave在硅基板上的的512超導(dǎo)鈮量子位。（來源：D-Wave）
D-Wave目前的量子處理器性能達(dá)到了512量子位，能夠在單次機(jī)器周期中以512個(或少于512)變量解決優(yōu)化的問題。為了解決基于量子位的優(yōu)化問題，D-Wave采用一種稱為「絕熱」(adiabatic)的不同運(yùn)算模式——即不至于發(fā)生熱耗損或增益。相形之下，其他研究都致力于開發(fā)一款通用的量子計算機(jī)，量子位在量子計算機(jī)中以類似傳統(tǒng)計算機(jī)的方式進(jìn)行處理。
“絕熱途徑的目標(biāo)在于保持量子位處于最低能量狀態(tài)，即優(yōu)化問題的開始與結(jié)束階段，」Hilton說：「當(dāng)變量的加權(quán)值輸入量子位至激勵狀態(tài)，旋即迅速地放松至最低能量狀態(tài)，從而揭露該變量的最佳值。”
D-Wave 可在安裝于超冷卻載臺上的每片晶圓上取得100顆量子計算機(jī)芯片。（來源：D-Wave）
目前致力于打造通用量子計算機(jī)的研究人員受限于除錯方法，他們利用數(shù)千個量子位，歷經(jīng)了所有的計算過程后，卻僅能確保量子態(tài)的數(shù)值迭加維持正確作業(yè)。而透過絕熱過程，Hilton宣稱，你就不需要除錯了，因?yàn)榱孔游粫匀坏胤潘芍磷畹湍芰繝顟B(tài)。
“量子位從激發(fā)到放松的過程，都不需要進(jìn)行除錯作業(yè)，”Hilton指出，“但采用通用量子計算機(jī)的傳統(tǒng)閘極模式，你必須先除錯才能順利進(jìn)行作業(yè)。”
D-Wave可能算不上真正的量子計算機(jī)
加拿大Info-Tech Research Group資深經(jīng)理暨基礎(chǔ)架構(gòu)分析師Mike Battista表示，“當(dāng)我與D-Wave洽談時，讓我印象深刻的是他們都十分謙虛，盡管對于自家公司技術(shù)感到興奮，卻不至于過度承諾其發(fā)展?jié)摿Α?rdquo;
Battista并指出，D-Wave的開創(chuàng)性進(jìn)展還不只是在量子運(yùn)算領(lǐng)域，該公司同時也以新的典范累積經(jīng)驗(yàn)，例如超導(dǎo)體，它能夠確保摩爾定律的持續(xù)進(jìn)展。
D-Wave處理器開發(fā)副總裁 Jeremy Hilton認(rèn)為，極熱狀態(tài)下的512Qb的模塊可利用10kW冷卻器使溫度極速冷卻至至0.2 mK。（來源：D-Wave）
“其超導(dǎo)半導(dǎo)體還擁有執(zhí)行量子運(yùn)算以外的其他優(yōu)勢，例如不至于釋放熱量，”Battista說：“這項技術(shù)還具有呈指數(shù)級迅速升級的潛力，或許可在傳統(tǒng)晶體管達(dá)到實(shí)體限制時，持續(xù)摩爾定律的下一個新典范。”
那么，為什么批評人士指稱這并不是“真正”的量子計算機(jī)呢？Battista不僅支持D-Wave的正確發(fā)展方向，還詳細(xì)地說明理由：“我知道D-Wave的硬件被混合地進(jìn)行測試，也了解為什么大公司選擇投資另一種方式。但如果有任何一丁點(diǎn)的可能性使其成為下一代基礎(chǔ)技術(shù)，足以勾勒未來幾十年的運(yùn)算發(fā)展，那么這樣的投資也算值得了。一開始先開發(fā)算法并發(fā)現(xiàn)可解決量子運(yùn)算問題的公司，一旦在可行的硬件出現(xiàn)時，他們將會擁有巨大的優(yōu)勢。”
用C++編程的D-Wave還能分析你的情感
D-Wave的首款設(shè)計可追溯到2007年，當(dāng)時只使用了少數(shù)的量子位(16Qb)，而且也無法擴(kuò)充，不過使用的同樣是目前所用的方式——在硅基板上加載極冷超導(dǎo)鈮量子位。從那時起，Hilton及其研究人員們已經(jīng)重新設(shè)計出一款可擴(kuò)展至任意尺寸的架構(gòu)，利用整合式的可編程磁組內(nèi)存與處理器，取代早期設(shè)計所中由于扇出導(dǎo)致無法擴(kuò)充的分離電極。
D-Ware從2009年首度向Google展示128Qb的新架構(gòu)后，該公司已持續(xù)升級至256Qb，接著是目前的512Qb，將33,000個超導(dǎo)Josephson接面(JJ)晶體管擠進(jìn)一顆4x7mm的晶圓中。在這樣的晶圓尺寸下，D-Ware可取得100片8寸晶圓。
Hilton表示：“我們的用戶基礎(chǔ)持續(xù)擴(kuò)展，他們正探索需要多少Q(mào)b量子位的甜密點(diǎn)，以及試驗(yàn)其問題，包括NASA、Google、美國太空研究協(xié)會(USRA)與Lockheed Martin，以及能夠透過終端機(jī)(例如南加大USC校園計算機(jī))存取至NASA/Google/USRA機(jī)器的廣大用戶社群。”
D-Wave并提供自家接口工具，可為其計算機(jī)建立“量子機(jī)器碼”，但也提供用于MatLab、C++ 和Python的API/編譯程序。目前該公司可取得接近98-99%的穩(wěn)定量子比特率，以及具有可實(shí)現(xiàn)自動冗余與恢復(fù)損壞量子位的模式。
根據(jù)里昂證券(CLSA)分析師Ed Maguire Ed表示，研究人員們已經(jīng)利用D-Wave的量子計算機(jī)開發(fā)出蛋白質(zhì)分折、影像檢測、視頻壓縮、情感分析等諸多應(yīng)用了。Lockheed技術(shù)長Ray Johnson則表示，或許它還可以立即告訴你，如何透過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上執(zhí)行幾百條軟件程序代碼來因應(yīng)太陽風(fēng)暴或核爆脈沖——目前像這一類的計算在傳統(tǒng)計算機(jī)上可能得花好幾周的時間。
D-Wave預(yù)計將在2015年稍晚發(fā)布下一代量子計算機(jī)，它將會采用ANSYS的工程仿真軟件，進(jìn)一步降低磁真空，以避免量子位故障。D-Wave的新款量子計算機(jī)將具備完全可重配置與冗余能力，以取代“通用”量子計算機(jī)的除錯作業(yè)。該公司還將致力更多先進(jìn)的算法與應(yīng)用，以期解決現(xiàn)實(shí)世界的問題，例如編碼量子位以仿真神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而加速拓展至深度學(xué)習(xí)與類似的人工智能(AI)等新領(lǐng)域。
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