里程碑達成！「邪道」量子計算成功實現2016年諾獎物理研究

"This paper represents abreakthroughin the simulation of physical systems which are otherwise essentially impossible.

"The test reproduces most of the expected results, which is aremarkable achievement. This gives hope that future quantum simulators will be able to explore more complex and poorly understood systems so that one can trust the simulation results in quantitative detail as a model of a physical system. I look forward to seeing future applications of this simulation method.

——2016 Nobel laureate Dr. J. Michael Kosterlitz

上個月，D-Wave 在《Science》上發表的一篇論文中指出，D-Wave 的計算設備有能力對量子系統進行模擬。在論文中，D-Wave 的研究人員嘗試設計了一個量子系統的弛豫模型，使用基於大量超導元件的D-Wave晶元來模擬複雜磁系統的相位。

研究人員的目的是了解量子力學系統中的磁相，而這是凝聚態物理中的基本目標之一，原型量子模擬硬體的出現為實驗探測這類系統提供了新的工具。

論文表示所得結果與自旋玻璃問題的理論結果比較吻合，驗證了材料物理中模擬問題的方法。

實驗表明研究人員可以通過D-wave對量子系統進行模擬，並進而檢查量子相變。

量子計算領域裡程碑達成

而本月22日，題為「觀察1800個量子比特的可編程晶格中的拓撲現象（Observation of topological phenomena in a programmable lattice of 1,800 qubits）」的論文發表在《Nature》上中。這項工作標誌著量子模擬領域的重要進步，再次證明了完全可編程的D-Wave量子計算機可以大規模地用作量子系統的精確模擬器。

研究成果不僅可能在新材料的開發中具有廣泛的意義，更實現了量子物理學領域的先驅理查德費曼在1982年首先提出的量子模擬器的最初願景。

上述兩篇D-Wave所發表的論文共同表明了D-Wave量子計算機在材料量子模擬中的靈活性和多功能性，以及優化和機器學習等其他任務。

D-Wave的首席科學家Mohammad Amin說，這一壯舉代表了「量子計算領域的一個里程碑」。

「這是有史以來，第一次，在使用真實的磁性材料進行演示之前，在量子模擬中實現了理論預測的物質狀態，」Amin說，「這是實現量子模擬目標的重要一步，使得人們可以在實驗室製備樣品前對材料屬性進行研究，而在實驗室實際製備現在依然非常昂貴且耗時。」

下半部分顯示的2048-qubit D-Wave處理器用於模擬上半部分描繪的量子磁系統的行為

與爭議共存，D-Wave在「邪道」前行

在20世紀70年代早期，理論物理學家Vadim Berezinskii，J.Michael Kosterlitz和David Thouless預測了一種以非平凡拓撲性質為特徵的新物質狀態。而他們也憑此於2016年獲得諾貝爾物理學獎。

此次，D-Wave研究人員通過對D-Wave 2000Q系統進行編程以形成人造自旋的二維受抑格子/阻挫格子（frustrated lattice）證明了這一現象。如果沒有量子效應，模擬系統中觀測到的拓撲性質就不存在，並且與理論預測非常吻合。

對此，2016年諾貝爾獎獲得者J. Michael Kosterlitz博士說：「本文代表了物理系統模擬的一個突破，否則基本上是不可能的。該測試再現了大部分預期結果，這是一項了不起的成就。這使得未來的量子模擬器能夠探索更加複雜且知之甚少的系統，從而使得人們可以信任模擬定量的結果細節。我期待看到這種模擬方法的未來應用。」

但在，D-wave公司成立之初並非總是收穫如此讚揚，相反自2011年推出第一台量子計算機D-Wave One後，D-Wave就一直飽受爭議。

甚至他們所開發的量子計算機也一直被戲稱為量子退火模擬機，用日本漫畫界的說法則是，D-Wave的量子退火機在業界被視作「邪道」，與之相對的「王道」則是Google、IBM等構建高「質量」的量子比特，結合容錯、演算法來讓人們清晰的看見真正的量子加速。相比之下，D-Wave通過將大量低「質量」的量子比特放在一起用於優化問題的做法顯然沒發討好正統的研究人員們，尤其是當D-Wave公司儘管爭議不斷，卻從市場收穫了大量的融投資（投資人包括洛斯阿拉莫斯國家實驗室、Google、NASA、洛克希德馬丁、USC、美國政府、加拿大政府、高盛、Amazon創始人傑夫貝佐斯等）。對此還有批評人士說，D-Wave應該多發表學術論文來證明他們的創新，而不是開發布會。

直到今天，D-Wave公司的邪道做法依然飽受爭議，但是正如D-Wave CEO Vern Brownell所說，量子計算機的目的並不是取代經典計算機，而是會和它們共存，並在某些特定問題上顯示出自己的優勢。

D-Wave CEO Vern Brownell

我們必須清楚的是，無論單個物體是多麼的完美，但當你構建系統時，環境，設備之間的物理差異，設備之間的材料差異，面密度，串擾，控制電路，磁場梯度，溫度梯度等因素將擾亂你的王道之路，尤其是這個系統是可以拓展的。

與其他研究團隊完全不同，D-Wave建立起的系統，擁有超數量級量子比特，而且在設計中，每個量子比特都可以控制地耦合到許多相鄰的量子比特，這是其他公司、研究團隊所沒有面對的完全不同的挑戰。同時，必須注意到的是這些低「質量」的量子比特已經可以運行、模擬其他王道量子計算機無法運行、模擬的任務，並且實現了現實意義上的價值。

無論邪道、王道，D-Wave公司的機器是唯一一種可以大規模建造的超導系統，並成功證明它可以做一些（不一定是通用的）可擴展量子計算形式。

「在D-Wave量子計算機上成功展示諾貝爾獎獲得者的研究是一項重大成就。結合D-Wave最近在Science發表的量子模擬工作，這項新研究展示了我們系統的靈活性和可編程性，以解決各個領域公認的難題。」

——D-Wave首席執行官Vern Brownell

「D-Wave對Kosterlitz-Thouless相變的量子模擬是一個激動人心且有影響力的結果。它不僅有助於我們理解量子磁學中的重要問題，而且還展示了通過新穎有效的自旋系統映射解決計算難題，只需要有限數量的量子比特，並為解決更廣泛的範圍提供了新的可能性以及應用。」

——洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學，技術和工程主要副主任John Sarrao博士

「正如我們在《Science》與《Nature》雜誌上報道的那樣，使用相同的量子處理器展示了兩種截然不同的量子模擬的能力，說明了D-Wave量子計算機的可編程性和靈活性，而這種可編程性和靈活性是理查德費曼最初的量子模擬器願景中的兩個關鍵因素，D-Wave 2000Q開闢了預測未來更複雜的工程量子系統行為的可能性。」

——D-Wave首席研究員Andrew King博士

或許我們應該停下思考真正量子計算機在未來是什麼姿態到來，而是思考現在的機器，即是它不被叫做量子計算機，這台1500萬美元的盒子能為我們帶來什麼。

——本文作者 Dakyo Wasi

資料來源 / Reference

https://www.dwavesys.com/

http://science.sciencemag.org/content/361/6398/162

https://www.scottaaronson.com/blog/?s=D-wave

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！