關鍵字：D-Wave 首款量子計算機 C++編程 電子實驗室模塊
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”并不是“真正的”量子計算機，他最后可能礙于我在這個領域的“權威”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，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呢？”
D-Wave是真正的量子計算機嗎？
“量子運算的神圣目標在于打造一款『通用』的量子計算機——不僅能夠解決任何運算問題，而且其速度更超越當今最快的超級計算機，”Hilton表示，“這就是為什么有人說我們并非『真正』開發(fā)出量子計算機的理由，因為D-Wave并不是一款『通用的計算機』。”
D-Wave的量子計算機只能解決優(yōu)化的問題，也就是那些能以線性等式表達的問題。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”難以解決這種線性等式問題，必須利用多次反復為變量找到最佳數(shù)值組合。然而，利用D-Wave的特定應用量子計算機，可在一個單次周期中解決問題。
“我們認為，以特定應用的量子處理器作為起點，可說是實現(xiàn)通用量子計算機的最佳發(fā)展方式——它可望成為邁向神圣目標的利基點，”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超導鈮量子位。（來源：D-Wave）
D-Wave目前的量子處理器性能達到了512量子位，能夠在單次機器周期中以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，量子位在量子計算機中以類似傳統(tǒng)計算機的方式進行處理。
“絕熱途徑的目標在于保持量子位處于最低能量狀態(tài)，即優(yōu)化問題的開始與結束階段，」Hilton說：「當變量的加權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顆量子計算機芯片。（來源：D-Wave）
目前致力于打造通用量子計算機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，因為量子位會自然地放松至最低能量狀態(tài)。
“量子位從激發(fā)到放松的過程，都不需要進行除錯作業(yè)，”Hilton指出，“但采用通用量子計算機的傳統(tǒng)閘極模式，你必須先除錯才能順利進行作業(yè)。”
D-Wave可能算不上真正的量子計算機
加拿大Info-Tech Research Group資深經(jīng)理暨基礎架構分析師Mike Battista表示，“當我與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)性進展還不只是在量子運算領域，該公司同時也以新的典范累積經(jīng)驗，例如超導體，它能夠確保摩爾定律的持續(xù)進展。
D-Wave處理器開發(fā)副總裁 Jeremy Hilton認為，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）
“其超導半導體還擁有執(zhí)行量子運算以外的其他優(yōu)勢，例如不至于釋放熱量，”Battista說：“這項技術還具有呈指數(shù)級迅速升級的潛力，或許可在傳統(tǒng)晶體管達到實體限制時，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”的量子計算機呢？Battista不僅支持D-Wave的正確發(fā)展方向，還詳細地說明理由：“我知道D-Wave的硬件被混合地進行測試，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的可能性使其成為下一代基礎技術，足以勾勒未來幾十年的運算發(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的首款設計可追溯到2007年，當時只使用了少數(shù)的量子位(16Qb)，而且也無法擴充，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鈮量子位。從那時起，Hilton及其研究人員們已經(jīng)重新設計出一款可擴展至任意尺寸的架構，利用整合式的可編程磁組內(nèi)存與處理器，取代早期設計所中由于扇出導致無法擴充的分離電極。
D-Ware從2009年首度向Google展示128Qb的新架構后，該公司已持續(xù)升級至256Qb，接著是目前的512Qb，將33,000個超導Josephson接面(JJ)晶體管擠進一顆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：“我們的用戶基礎持續(xù)擴展，他們正探索需要多少Q(mào)b量子位的甜密點，以及試驗其問題，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(例如南加大USC校園計算機)存取至NASA/Google/USRA機器的廣大用戶社群。”
D-Wave并提供自家接口工具，可為其計算機建立“量子機器碼”，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，以及具有可實現(xiàn)自動冗余與恢復損壞量子位的模式。
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的量子計算機開發(fā)出蛋白質分折、影像檢測、視頻壓縮、情感分析等諸多應用了。Lockheed技術長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)絡上執(zhí)行幾百條軟件程序代碼來因應太陽風暴或核爆脈沖——目前像這一類的計算在傳統(tǒng)計算機上可能得花好幾周的時間。
D-Wave預計將在2015年稍晚發(fā)布下一代量子計算機，它將會采用ANSYS的工程仿真軟件，進一步降低磁真空，以避免量子位故障。D-Wave的新款量子計算機將具備完全可重配置與冗余能力，以取代“通用”量子計算機的除錯作業(yè)。該公司還將致力更多先進的算法與應用，以期解決現(xiàn)實世界的問題，例如編碼量子位以仿真神經(jīng)網(wǎng)絡，從而加速拓展至深度學習與類似的人工智能(AI)等新領域。
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