D-wave的量子計(jì)算機(jī)綜述

1、D-wave 的量子計(jì)算機(jī)不可能那么坑爹嗎？2011-05-27 13:07:24這幾天炒得很熱的，國(guó)內(nèi)有自制蘑菇云，國(guó)外有 D-wave 的量子計(jì)算機(jī)。貌似果殼（和松鼠 會(huì)資訊）也要做一做這個(gè)，我就先不泄漏什么，大家可以等著看。不過(guò)嘛，既然要寫(xiě)這個(gè)日志，還是要討論一下D-wave他們家的東西的。我本來(lái)想說(shuō)簡(jiǎn)單介 紹一下的，不過(guò)量子計(jì)算機(jī)這種東西太復(fù)雜了，簡(jiǎn)單介紹不一定容易明白，大家就將就一下 吧話(huà)說(shuō)大自然是不喜歡高能量的東西的，因?yàn)楦吣芰客馕吨淮蠓€(wěn)定。所以，隨便一個(gè)物 理體系，如果你不給它什么能量的話(huà)，它慢慢慢慢就會(huì)到達(dá)最低能量的狀態(tài)，學(xué)名叫基態(tài)。說(shuō)到這里的話(huà)，學(xué)計(jì)算機(jī)的人可能就開(kāi)始想

2、到些什么了：這不就是解了一個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題么？ 嗯，正是這樣，自然就是不斷在解各種各樣的最優(yōu)化問(wèn)題。這里無(wú)節(jié)操?gòu)V告一下，關(guān)于自然解優(yōu)化問(wèn)題的一個(gè)例子，可以參考松鼠會(huì)的文章：地址要到 原帖要，我還發(fā)不了。言歸正傳， D-wave 的 Rainier 芯片，也就是 D-wave One 里的芯片，其實(shí)就是干的這個(gè)活。 芯片就是一個(gè)物理體系，它的能量依賴(lài)于一系列參數(shù)，還有它內(nèi)部的 128 個(gè)量子位的 0-1 取 值。它能優(yōu)化的函數(shù)只能是 關(guān)于這些量子位的一個(gè)二次函數(shù)，不過(guò)這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)很不容易 了。更精確地講，這個(gè)叫QUBO （我希望沒(méi)有記錯(cuò)）的問(wèn)題是NP-hard的。如果能高速度解 決 它的話(huà)，那很多問(wèn)

3、題都可以迎刃而解。對(duì)于一般的物理體系來(lái)說(shuō)，能量的降低是通過(guò)熱擾動(dòng)來(lái)進(jìn)行的。通過(guò)熱擾動(dòng)，物理體系可以 以小概率“借到”足夠的能量，跳出局部最優(yōu)達(dá)到全局最優(yōu)。不過(guò)問(wèn)題是，要是局部最優(yōu)很 深”，也就是說(shuō)要借的能量很大才能跳出去的話(huà)，僅僅通過(guò)熱擾動(dòng)就需要非常長(zhǎng)的時(shí)間。大 概也是這個(gè)原因，一般也沒(méi)人去用真實(shí)的物理系統(tǒng) 去優(yōu)化某個(gè)函數(shù)。當(dāng)然，這種熱擾動(dòng)的 物理直覺(jué)可以用來(lái)做優(yōu)化問(wèn)題的heuristic，這里就按下不表，大家可以期待人算不如天算 這個(gè)系列的新文章， 如果我還能寫(xiě)得出來(lái)的話(huà)好了，對(duì)于量子體系，它們有一種特殊的量子過(guò)程來(lái)干這個(gè)事情，那就是量子隧穿效應(yīng)。它 可以無(wú)視“借”能量的要求，直接就“穿越”

4、過(guò)去了好比從山這邊到山那邊，熱擾動(dòng)干的 是晃來(lái)晃去，而且喜歡下山多于喜歡上山，但是因?yàn)樗娴南矚g晃來(lái)晃去，所以也有機(jī)會(huì)跑 到山的另一邊。而量子隧穿，則是看見(jiàn)山就打隧道，一招開(kāi)山掌，還不用力氣然后打 完隧道就直接晃過(guò)去，哪里能量低就更喜歡呆在哪里。于是， D-wave 就是借助量子隧穿效應(yīng)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算的。這當(dāng)然比經(jīng)典下的要快多了，它 會(huì)穿隧道么。最新的那篇 nature 論文其實(shí)也就是在說(shuō)， D-wave 的技術(shù)的確利用了量子效應(yīng)。但是，它有多快呢？目前沒(méi)有證據(jù)表明， D-wave 的芯片可以在多項(xiàng)式時(shí)間里解決 QUBO。 它的計(jì)算時(shí)間依賴(lài)于基態(tài)和第二低能的態(tài)的能量差，但我們對(duì)于這 個(gè)能量差沒(méi)

5、有一個(gè)很好 的界，于是也就不太能證明這個(gè)事情。不過(guò)按照實(shí)踐的情況來(lái)看的話(huà)，還是比傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī) 要快得多，當(dāng)然快多少我們具體是不知道的。但是D-wave最坑爹的地方還不在這里。實(shí)際上，D-wave的芯片不是一般科學(xué)界所說(shuō)的量 子計(jì)算機(jī)。一般我們說(shuō)的量子計(jì)算機(jī)，是指用量子門(mén)電路操縱量子位來(lái)進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算設(shè)備。它利用了 量子物理最基本的性質(zhì)：量子狀態(tài)是可以疊加的。打個(gè)不太恰當(dāng)?shù)谋扔鳎?傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)可以 操縱n維的空間，量子計(jì)算機(jī)操縱的則是2M維的空間。不過(guò)，這個(gè)2M維的空間可不是隨 便操縱的，只能用所謂 酉變換 來(lái)進(jìn)行，所以也沒(méi) 有想象中什么 同時(shí)搜索所有解答 那么 強(qiáng)大。順便說(shuō)一下，這個(gè)貌似也是對(duì)量

6、子計(jì)算機(jī)的誤解之一。量子計(jì)算機(jī)是不能同時(shí)搜索所有解答 的。它可以對(duì)混合態(tài)進(jìn)行運(yùn)算，但是運(yùn)算出來(lái)的結(jié)果本身也是混合了起來(lái)的。只有對(duì)特定的 問(wèn)題，我們才能用特定的算法從混合的結(jié)果中抽取我們需要的信息。至于D-wave的芯片，正如前面所說(shuō)，它利用的是量子隧穿效應(yīng)，它的這項(xiàng)計(jì)算技術(shù)名為量 子退火，與量子門(mén)電路是非常不同的。比如說(shuō)，能在量子門(mén)電路上運(yùn)行的 Shor 算法（就是 能快速分解大合數(shù)，搞出來(lái)了會(huì)對(duì)各種密碼系統(tǒng)，比如說(shuō)橢圓曲線(xiàn)、離散對(duì)數(shù)和RSA，有 威脅的那個(gè)算法），實(shí)際上不能在 D-wave 的芯片上運(yùn)行。而量子退火與量子門(mén)電路的計(jì)算 能力是否等價(jià)，至今仍然沒(méi)有定論。不過(guò)一般的意見(jiàn)是認(rèn)為量子退

7、火的計(jì)算能力比不上量子 門(mén)電路的計(jì)算能力。不過(guò)這也不是說(shuō)D-wave的芯片一無(wú)是處，起碼它在解決QUBO上的速度是獨(dú)樹(shù)一幟的，而 QUBO這個(gè)優(yōu)化問(wèn)題本身又可以在人工智能等方面找到應(yīng)用。據(jù) 說(shuō)Google就跟D-wave合 作過(guò)，用D-wave的量子退火芯片來(lái)做圖像識(shí)別，貌似效果還不錯(cuò)。而且如果我們考慮到可 以進(jìn)行量子門(mén)電路計(jì)算的量子計(jì) 算機(jī)設(shè)計(jì)，能利用的量子位數(shù)目至今不超過(guò)10，能分解的 最大的合數(shù)是15的話(huà)，那將D-wave的芯片看成是量子物理在計(jì)算方面目前最頂尖的應(yīng)用， 那其實(shí) 也說(shuō)得過(guò)去。以上概括一下，其實(shí)就是：D-wave 的芯片不是傳統(tǒng)意義上利用量子門(mén)電路進(jìn)行計(jì)算的芯片，嚴(yán)格意義來(lái)

8、講不是一般說(shuō) 的量子計(jì)算機(jī)，估計(jì)計(jì)算能力也沒(méi)那么強(qiáng)；然而，如果將量子計(jì)算機(jī) 定義為關(guān)鍵的計(jì)算過(guò) 程依賴(lài)于量子效應(yīng)的計(jì)算機(jī)的話(huà)，那么D-wave的芯片可以被稱(chēng)為量子計(jì)算機(jī)。另外,D-wave 的芯片不是萬(wàn)能的，它只能解決一個(gè)特 定的問(wèn)題，不過(guò)這個(gè)特定的問(wèn)題應(yīng)用范圍比較廣， 所以還是比較有意義的。最后插播新聞：D-wave賣(mài)出了第一臺(tái)D-wave One，這次的冤大頭是Lockheed Martin公司， 不知道他家買(mǎi)這個(gè)是要干啥呢？量子計(jì)算機(jī)首次正式投入商用 要價(jià)一千萬(wàn)美元 加拿大量子計(jì)算公司D-Wave近日正式發(fā)布了全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)D -Wave One，量子電腦的夢(mèng)想距離我們又近了

9、一大步。D-Wave公司的口號(hào)就是Yes, you can haveone.。量子計(jì)算機(jī)首次正式投入商用 要價(jià)一千萬(wàn)美元其實(shí)早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一臺(tái)商用實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)“Orion（獵戶(hù) 座），不過(guò)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)當(dāng)時(shí)那套系統(tǒng)還算不上真正意義的量子計(jì)算機(jī)，只是能用一些量子力學(xué) 方法解決問(wèn)題的特殊用途機(jī)器。時(shí)隔四年之后，D-Wave One終于脫胎換骨、正式登場(chǎng)。它采用了 128-qubit（量子比特）的處 理器，四倍于之前的原型機(jī)，理論運(yùn)算速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)有任何超級(jí)電子計(jì)算 機(jī)。不過(guò) 呢，也別太興奮，這個(gè)大家伙現(xiàn)在還只能處理經(jīng)過(guò)優(yōu)化的特定任務(wù)，通用任務(wù)方面還遠(yuǎn)不是 傳統(tǒng)硅

10、處理器的對(duì)手，而且編程方面也需要重新學(xué)習(xí)。D-Wave One在散熱方面的要求也非?？量?，必須由液氦全程保護(hù)，而之前原型用的是液氮, 溫度接近絕對(duì)零度，但現(xiàn)在的商用機(jī)溫度是多少并未透露。最后就是價(jià)格，D-Wave One目前的售價(jià)高達(dá)10000000美元，也就是一千萬(wàn)美元。這絕對(duì)是 天價(jià)中的天價(jià)了，不過(guò)也是新技術(shù)開(kāi)端的必然，就像當(dāng)初的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC造價(jià) 就有 40 萬(wàn)美元（二十世紀(jì)四十年代的 40 萬(wàn)美元）。量子計(jì)算機(jī)首次正式投入商用要價(jià)一千萬(wàn)美元:LJaueThe Quantum Computing Company量子計(jì)算機(jī)首次正式投入商用 要價(jià)一千萬(wàn)美元D-Wave One量子

11、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)量子計(jì)算機(jī)首次正式投入商用 要價(jià)一千萬(wàn)美元D-Wave One量子處理器晶圓量子計(jì)算機(jī)首次正式投入商用 要價(jià)一千萬(wàn)美元D-Wave One量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與D-Wave公司創(chuàng)始人兼CTO Geordie Rose量子計(jì)算機(jī)首次正式投入商用 要價(jià)一千萬(wàn)美元 D-Wave CEO Vern Brownell上聯(lián)為：赤條條來(lái)，深入裙中，海棠樹(shù)上梨花顫。下聯(lián)為光溜溜去，牡丹花下，嫩草尚綠老 牛歸。橫批：畜生入死 深入群眾，出生入死 舒服死了從嚴(yán)格意義上來(lái)講，D-Wave One只能叫量子模擬器，Quantum Simulator,只能處理內(nèi)植的 特殊問(wèn)題，比如量子退火算法，這不是個(gè)什么新東西，

12、一個(gè)可以用的粗淺文獻(xiàn)是這個(gè) HYPERLINK /qk/94913x/200809/28184632.html /qk/94913x/200809/28184632.html當(dāng)然，D-Wave One肯定是個(gè)很牛的東西，UBC （加拿大數(shù)學(xué)排名前三的牛校）搞的，不過(guò) 叫他量子計(jì)算機(jī)還為時(shí)過(guò)早。按我們這里一個(gè)搞量子密碼的德國(guó)人的說(shuō)法，檢驗(yàn)是不 是量 子計(jì)算機(jī)最簡(jiǎn)單的是能不能做10的80次方量級(jí)的數(shù)的素因子分解?，F(xiàn)在D-Wave One的設(shè) 計(jì)根本還沒(méi)有涉及這類(lèi)一般性問(wèn)題，也就是文中所提的一般性計(jì)算。我們國(guó)家肯定不能說(shuō)是量子計(jì)算領(lǐng)域的世界No.l,但這是我們第一次在人類(lèi)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)革命 里沒(méi)有被大家甩

13、開(kāi)，在這個(gè)第五次科技革命里，我們是有機(jī)會(huì)有一席之地的。大家褲衩不能 太紅，但因?yàn)檫@個(gè)東西就說(shuō)是我們的高潮被打破了，那也屬于自我刷白。中國(guó)科大合作研究在世界上首次實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò) 近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）潘建偉及其同事陳宇翱、劉 乃樂(lè)等組成的研究小組與澳大利亞和加拿大的研究人員合作，將拓?fù)淞孔?計(jì)算和量子糾錯(cuò) 理論結(jié)合在一起，利用具有拓?fù)湫再|(zhì)的八光子簇態(tài)，在世界上首次成功實(shí)現(xiàn)了拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)。 該項(xiàng)研究成果以長(zhǎng)文（Article）的形式發(fā)表在2月23日出版的紀(jì)念計(jì)算機(jī)之父圖靈誕辰 100 周年的自然雜志上。這是量子信息領(lǐng)域以中國(guó)為第一單位發(fā)表在自然雜志上的 首篇長(zhǎng)文

14、。量子計(jì)算機(jī)由于其超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)極限的強(qiáng)大并行運(yùn)算能力，成為二十一世紀(jì)量子物理學(xué)家 們夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。然而，學(xué)術(shù)界公認(rèn)的長(zhǎng)期困擾其物理實(shí)現(xiàn)的最大問(wèn)題 消相干效應(yīng) 由于量子計(jì)算機(jī)不可避免地與環(huán)境耦合而產(chǎn)生的各種噪聲從而使計(jì)算過(guò)程產(chǎn)生各種錯(cuò)誤，一 直沒(méi)有得到很好的解決。國(guó)際上以往提出的眾多量子 糾錯(cuò)方案中，一般采用對(duì)每一步邏輯 操作都進(jìn)行量子糾錯(cuò)的方法。這樣，為了可擴(kuò)展量子計(jì)算能夠有效進(jìn)行，要求每一步邏輯操 作的錯(cuò)誤發(fā)生率都不得高于 10-5 量級(jí)，而這么低的容錯(cuò)率是目前任何實(shí)驗(yàn)手段都無(wú)法實(shí)現(xiàn) 的。近年來(lái)，學(xué)術(shù)界提出了拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)這一全新概念，把量子態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)應(yīng)用于量子糾錯(cuò)過(guò) 程中，從而將量子糾

15、錯(cuò)中可容忍的最高邏輯操作錯(cuò)誤發(fā)生率提高了三個(gè)數(shù) 量級(jí)，達(dá)到10-2 量級(jí)。拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)方案大大降低了對(duì)操作精度的要求，達(dá)到了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的水 平，是目前已知擁有最高容錯(cuò)率的量子計(jì)算方案，從 而使得可擴(kuò)展容錯(cuò)性量子計(jì)算在現(xiàn)實(shí) 條件下成為可能。在中科院、科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持下，潘建偉研究小組經(jīng)過(guò)三年的艱苦努力， 創(chuàng)造性地發(fā)展了一套全新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，將雙光子糾纏的亮度提高了 4 倍，從而使得制備八 光子簇態(tài)的總效率至少提高了200倍，僅用八十天時(shí)間就完成了實(shí)驗(yàn)，這在以前幾乎是不可 能實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，研究人員還設(shè)計(jì)了一種特殊 的、濾除噪聲的八光子干涉儀，成功制造出 并觀測(cè)到了具有拓?fù)湫?/p>

16、質(zhì)的八光子簇態(tài)，并以此簇態(tài)為量子計(jì)算的核心資源，實(shí)現(xiàn)了拓?fù)淞?子糾錯(cuò)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在拓?fù)淞孔佑?jì)算的過(guò)程中可以完全糾正出現(xiàn)在任意量子比特上的單比特錯(cuò) 誤，而且當(dāng)每個(gè)量子比特都以相同概率發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，受保護(hù)的量子關(guān)聯(lián)的有效錯(cuò)誤率會(huì)大大 降低。這項(xiàng)工作在實(shí)驗(yàn)上邁出了可擴(kuò)展容錯(cuò)性量子計(jì)算的第一步，在量子計(jì)算領(lǐng)域具有里程碑式的 意義，它將有力地推動(dòng)可擴(kuò)展量子計(jì)算的發(fā)展，為將來(lái)成功實(shí)現(xiàn)真正的量子計(jì)算打下堅(jiān)實(shí)的 基礎(chǔ)。對(duì)于該篇文章實(shí)現(xiàn)的目前所有已知的量子計(jì)算方案中擁有最高容錯(cuò)率的拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)方案 的實(shí)驗(yàn)證明，自然雜志的幾位審稿人給予了高度評(píng)價(jià)，稱(chēng)之為 非常重要的原理性實(shí)驗(yàn)， 一個(gè)艱苦卓絕的英雄主義的量子光學(xué)

17、實(shí)驗(yàn) ，實(shí)驗(yàn)的完成是完美而極具挑戰(zhàn)性的 ，對(duì)拓?fù)?糾錯(cuò)這一當(dāng)前量子信息處理最引人注目的 范例中關(guān)鍵一環(huán)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 。為此，自然專(zhuān) 門(mén)發(fā)布了Press release ，并邀請(qǐng)著名量子光學(xué)專(zhuān)家James Franson教授在新聞視角欄目撰 文對(duì)該項(xiàng)工作進(jìn)行了介紹。此外，文章還受到了英國(guó)物理學(xué)會(huì)的PhysicsWorld等許多科學(xué)媒 體的關(guān)注。Operational Quantum Computing Center Established at USC南加州大學(xué)建立可實(shí)際運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)中心。 2011年10月。 HYPERLINK /about-news_story.htm?s=336231 /

18、about-news story.htm?s=336231October 29, 2011Press Contact HYPERLINK mailto:vcomms vcomms(213) 821-5555D-WAVE President Vern Brownell, Viterbi Dean Yannis C. Yortsos, Lockheed-Martin CTO Ray Johnson and ISI Executive Director Herb Schorr.Continuing on its history of pioneering advances in high-perfo

19、rmance computing and the internet, USC is now exploring the future of quantum computing.USCs new quantum computing center, located at its Information Science Institute campus in Marina del Rey, now houses D-Waves revolutionary quantum computer, which was recently purchased by Lockheed Martin. USC an

20、d Lockheed Martin will work together in the just formed USC- Lockheed Martin Quantum Computing Center to explore the potential of the cutting-edge quantum computing technology.“The USC Lockheed Martin Quantum Computing Center will open new windows in the fascinating world of quantum computing, said

21、USC Engineering Dean Yannis C. Yortsos. “It will help advance our understanding of the potential of this new technology and to provide a new computing paradigm in the quest for faster and more secure computing.Prof. Daniel Lidar with Dean Yortsos.The D-Wave quantum computer has 128 quantum bits (cal

22、led “qubits), which have the capability of encoding the two digits of one and zero at the same time 一 as opposed to traditional bits, which can encode distinctly either a one or a zero. This property, called “superposition, along with the ability of quantum states to tunnel through energy barriers,

23、will help the present D-WAVE device to perform optimization calculations much faster (and potentially exponentially faster) than traditional computers.The facility keeps the D-Wave hardware at near absolute zero temperatures and contains powerful shielding to block out electromagnetic interference.“

24、Its one of the coldest and most magnetically shielded places on earth, said Daniel Lidar, professor of Electrical Engineering at the Viterbi School and scientific director of the new center. Absolute zero is the temperature at which entropy stops, eliminating thermal energy. It is defined as 0 Kelvin, or -273.15 Celsius. The USC facility operates at 20 microKelvin. The multi-million dollar facility is state of the art and, most importantly, easily upgradable. T