D-Wave再度升級:研發出2000量子比特量子計算機

選自Nature

機器之心編譯

參與：微胖、朱思穎

要發掘出量子計算的真正潛力，我們可能還需要再等幾十年，而 D-Wave 正在向著這個目標大步邁進，2016 年，這家公司承諾將在明年推出其已經得到了大幅改進的量子處理器。（量子計算大躍進？D-Wave 將於明年推出 2000 量子比特晶元）。目前，公司發布的最新機器模型已達 2,000 量子比特。雖然有關 D-Wave 最終潛力的質疑不絕於耳，但是，研究人員已在尋找這一機器的用武之地。

D - Wave 最新處理器可以處理 2,000 量子比特，遠超之前的模型能力。

這家打造世界上唯一商用量子計算機的公司已經發布了到目前為止，公司最大的機器，而且研究人員也正在密切關注著。加拿大 D- Wave 公司用處理器的量子比特數命名的這台 2000Q，其能力遠超之前模型。不同於其他尚出初期的量子計算機，長遠來看，D-Wave 這類機器潛力如何，不少研究人員仍持懷疑態度。不過，也有其他研究人員已經認為用 D-Wave 解決機器學習、網路安全等難題已指日可待。

而且這次升級到 2000Q，亦即公司的第四代機器，已經大量吸取了研究人員反饋。

NASA 阿姆斯研究中心的物理學家 Davide Venturelli 說，「我們正以科學家團體的身份對他們進行指導」。Davide Venturelli 正負責管理一個由非盈利組織——位於華盛頓的大學太空研究聯合會（Universities Space Research Association，USRA）運營的計劃，旨在讓外部研究人員接觸到一台 NASA 和谷歌共同擁有的 D-Wave 計算機。

據悉，D-Wave 也正在研發第五代模型，有望解決諸如更大功能、更多連接性等問題，希望能更加滿足科學家研究需求。這一模型的研發工作可能在兩年內啟動，並再度翻倍既有量子比特數，達至 4，000 量子比特。關鍵是，新模型還能提供更加複雜的量子比特連接，讓機器具有解決更加複雜問題的能力。

位於布拉格的 Charles University 物理學家 Mark Novotny 說，「改變底層連接會改變遊戲規則，」他正在研究如何將 D- Wave 應用到網路安全上，「基本上，我很渴望實現這一點。這太激動人心了。」

六年前，當 D- Wave 上市後，這台機器不僅讓眾人驚喜，也招致了不少懷疑。到目前為止，研究人員已經證實，對於某個契合這台機器能力的問題來說，量子計算機會大大提升處理該問題的速度，力壓傳統演算法（V. S. Denchev et al）。但是，這類機器並沒有在每種傳統演算法上擊敗傳統對手，人們還沒有發現在解決哪個問題上，這類機器比所有傳統對手表現更好。

較之於在更加傳統的量子計算中建造量子比特，D-wave 要容易多了，但是，其量子狀態也更加脆弱，控制精確性也更弱些。因此，儘管科學家現在認為 D-Wave 確實在計算過程中利用了量子現象，但是，一些人仍然懷疑這個辦法在解決真實世界難題上，其速度會快過傳統計算機——無論許多量子如何協作，也不管其布局如何。不過，不確定性無法阻止用戶數量增長：去年九月，大約 100 名科學家參加了 D-Wave 首批用戶會議，大會在新墨西哥州的聖達菲舉行。

現有的 D-Wave 計算機都在美國，不過，全球研究人員都能遠程接觸到它們，包括參加諸如 USRA 這樣的項目。計算機也正在吸引著新的研究人員，Venturelli 說，他正在嘗試用 D-Wave 找到探測器自動安排運行時間、管理時間的最佳方法，他說，「現在，那些不涉及量子物理研究的大學也在嘗試它們的演算法。」

和其他量子計算機不同，D-Wave 僅用來解決某個問題，諸如優化問題。為了找到最優解決方案，研究人員首先將由超導迴路（superconducting loops）打造的量子比特置入其最低能量狀態，在這一狀態下，每個都處於一個「開」、「關」疊加狀態。然後，表徵問題的磁場會輕輕將這一狀態推進到一個新的狀態下——亦即所謂的量子退貨法。狀態不斷演進的同時也持維持著低能量狀態，這樣，當最終發生「坍塌」時，量子比特就能處在用來解決問題的最佳配置狀態。因為系統會立刻篩選每個可能的答案，理論上，它就能以更快的方式解決難題，如果使用傳統計算機解決這個難題，每增加一個變數，解決問題的難度會呈指數增長。但是，能以機器可以處理的方式提出研究問題意味著使用幾個量子比特來表徵某個單獨變數，限制機器可以處理的問題的規模大小。

一台 D-Wave 機器正在研究星球探測車如何能自動進行任務、時間管理。

Novotny 說，「量子計算是一個新工具，所以，我們目前工作的一部分就是試圖找到新工具的使用方式。」他正在研究機器學習演算法（波茲曼機），用它來研究在線瀏覽量模式，識別出網路攻擊。到目前為止，他的團隊已經可以證明，對於小型樣本，在識別諸如可能的網路攻擊等方面，D-Wave 要比傳統對手更高效，也更快速。

D-Wave 最新迭代包括一個 Novotny 呼籲過的升級。當不同量子比特組經歷退火過程時，這一升級後的特徵能增加過程的可控性。D-Wave 已經表明，至少在一個例子中，它將某次計算速度翻 1，000 番。對於 Novotny 來說，這一功能很關鍵，這樣，他的團隊就能在過程中「取樣」量子比特，也為利用 D-Wave 探索不同類型的機器學習演算法（識別更多複雜的網路攻擊模式）打開了一扇門。

但是，研究人員期待更大連接性。Scott Pakin 是位於新墨西哥洲的**洛斯阿拉莫斯國家實驗室的計算科學家，也是 D-Wave 科學技術負責人，去年八月，他擁有了一台 D-Wave 計算機。他說，**目前，處理器只能實現每六個量子比特之間的對話，「連接越豐富，用 D-Wave 解決問題就更容易，也更快。所以，這也是我最期待的一點。」

D-wave 正在重新設計其第五代處理器來大幅提升聯結度，D-wave 負責技術的高級副總 Jeremy Hilton 說道。同時因為這次的提升涉及到硬體的徹底檢修，新一代處理器將具備一個額外的好處：允許公司超越當前處理器設計設置的 10，000 量子比特的限制，他補充說。

距離 D-wave 倡導者所希望看到的——量子計算機運行速度是普通計算機運行速度的指數倍這一願景，還有很長一段路要走。但是，一篇於 1 月 17 日發表的尚未進行同行評議的論文中，D-wave 的一個團隊宣稱其 2000Q 處理器解決問題的速度，是當前任一知名傳統演算法速度的 2600 倍（J. King et al. 2017）。現在輪到懷疑派們去找更快的傳統演算法了。德州大學奧斯汀分校的計算機科學家 Scott Aaronson 說，「據我所知，就這種情況，過去也遇到到兩三次，結果，確實有一個不同的傳統解決方法消除了所宣稱的差距。」

Hilton 認為，今年 D-wave 將證明完成即使是最強勁的傳統超級計算機都不可能實現的計算，他們的這個目標被競爭對手稱為「量子霸權」。

「我們已經取得一些結果了，」他說，「我們正在與外部合作者一起審核這些結果，看看能否經得起檢驗。」