作者:唐一尘 来源:中国科学报 发布时间:2017/2/9 9:41:44
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“D波”潜力有多大
最具争议量子计算机投入使用

 

D波最新处理器可以处理 2000 量子比特,远超之前模型的能力。

图片来源:Kim Stallknecht

目前世界上唯一在售的量子计算机是由加拿大本拿比市D波公司制造的,这家公司日前发布了一款超大型机器,而研究人员对此也保持着密切关注。这台名为2000Q的机器是根据中央处理器中量子比特的数量命名的,该机器的量子比特数量几乎是上一代机型的两倍。多数调查者对此类机器的发展前景依旧保持怀疑,因为它的计算方法不同于其他新兴的量子计算机。

此外,作为该公司的第四代机器,2000Q的改进很大程度上来源于研究人员的反馈。美国宇航局(NASA)艾姆斯研究中心物理学家Davide Venturelli说:“我们正以科学家团体的身份为其提供指导。”Venturelli正为非营利组织大学空间研究协会(USRA)制定相关计划,旨在让外部研究人员可以使用一台连接了NASA与谷歌公司相关数据的D波计算机。

D波公司同时也在研发第五代模型,并希望借此回应那些提出该机器需要更强大的能力与更多样的连接形式,从而更适合科学家需求的人们。该机器很可能在两年之内推出,它所拥有的量子比特数量将再次翻倍达到4000,重要的是,量子比特之间将提供更加复杂的关系,让它能够解决更为复杂的问题。

研究如何将D波应用到网络安全上的捷克布拉格查尔斯大学物理学家 Mark Novotny 说,“改变底层连接会改变游戏规则,基本上,我很渴望实现这一点。这太激动人心了。”

6年前,当D波上市后,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,对于某些问题来说,量子计算机会大大提升处理该问题的速度,进而力压传统算法。但这类机器并没有在每种传统算法上都能击败传统对手——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都更好。

不过,较之于在更加传统的量子计算中建造量子比特,D波要容易很多,但其量子状态也更加脆弱,控制精确性也更弱些。

目前的D波计算机都在美国,但全球研究人员都能远程接触到它们,包括参加USRA等项目。这些计算机也正吸引着新的研究人员,Venturelli 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。”目前,他正在尝试用D波找到探测器自动安排运行时间、管理时间的最佳方法。

和其他量子计算机不同,D波仅用来解决某个问题,即优化问题。为了找到最优解决方案,研究人员首先将由超导回路打造的量子比特置于其最低能量状态,在这一状态下,它们每个都处于开和关的叠加状态。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,即所谓的量子退火法。

该状态不断演进的同时也维持着低能量状态,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,以机器可以处理的方式提出研究问题则意味着使用几个量子比特表征某个单独变量,就能限制机器可以处理的问题的规模。

“量子计算是一个新工具,所以,我们目前部分工作就是试图找到新工具的使用方式。”Novotny说。他正在研究机器学习算法(波兹曼机),从而研究在线浏览量模式,识别出网络攻击。到目前为止,该团队已经可以证明,对于小型样本,在识别可能的网络攻击等方面,D波要比传统对手更高效,也更快速。

D波最新迭代包括一个 Novotny 曾经呼吁过的升级。这一升级后的特征能增加对不同量子比特组退火过程的可控性。至少在一个例子中,它将某次计算速度提升了1000 倍。对于 Novotny 来说,这一功能很关键,有助于其团队取样量子比特,也为利用D波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。

但研究人员期待更大的连接性。新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室计算科学家、D波技术负责人Scott Pakin在去年8月拥有了一台D波计算机。目前,处理器只能实现每6个量子比特之间的对话,但“连接越丰富,解决问题就更容易,也更快。所以,这也是我最期待的一点”。

该公司负责技术的高级副总 Jeremy Hilton 提到,D波正在重新设计其第五代处理器,以大幅提升联结度。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:允许超越当前处理器设计的1万量子比特的限制。

目前,距离D波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指数倍的这一愿景还有很长一段路要走。

“我们已经取得一些结果了,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。”Hilton说。(唐一尘编译)

《中国科学报》 (2017-02-09 第3版 国际)
 
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