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D-Wave的量子计算机“真伪论”尘埃落定

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欢迎发表评论 2013年07月25日19:09 来源:元器件交易网 

  美国南加州大学(University of Southern California,USC)的研究小组宣布,验证了加拿大D-Wave Systems公司制造的量子计算机(QC)的运行情况,确认“正如想象的一样,发挥出了量子力学的效应”。这意味着承认D-Wave的QC是“真的”。

  NASA和谷歌都已购买

  D-Wave公司于2007年1月首次发布了16量子位*QC处理器(图1)。后来又增加了量子位数,于2009年11月开发出了128量子位的处理器“RAINIER”,2012年9月开发出了512量子位的处理器“Vesuvius”,并且还实现了产品化,配备RAINIER的QC“D-WaveOne”已于2011年5月上市,美国洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)购买了“D-Wave One”,设置在了美国南加州大学校内(图2)。配备了Vesuvius的“D-Wave Two”于2013年5月被美国谷歌、美国NASA及美国大学空间研究联合会(Universities SpaceResearch Association,USRA)联合购买。

  *量子位(qubit):“0”和“1”的状态同时实现的元件。利用了在量子力学中不同的两种物理状态能够同时实现的原理。

  过去说起QC,一般是指冯·诺伊曼结构*的QC。但是,量子位数最多为14位,只能做“15的质因数分解”,离实用化还很遥远。而D-Wave的QC不是冯·诺伊曼结构,除了利用量子力学效应这一点相同外,其他的工作原理完全不同。

  *冯·诺伊曼结构:由处理器和内存构成,逐一执行任意算法(计算顺序)以求解的计算机。也叫图灵机。

  两种QC无法进行简单比较。因为工作原理不同,QC能够解决的问题也不同。D-Wave公司的QC适于解决被称之为“NP完全问题”的群集(图3),大约有3000种问题。而冯·诺伊曼结构的QC能以现有计算机无法实现的速度分解质因数。但是,对于其他问题能获得何种效果还不太清楚。

图1:以每年两倍的速度扩大量子位数
图1:以每年两倍的速度扩大量子位数

  D-Wave公司的处理器开发历史。“D-Wave One”配备的是128量子位的处理器“RAINIER”,而工作的有108个量子位。还在开发512量子位的处理器,量子位数正以每年2倍的速度增加。图由《日经电子》根据D-Wave公司的资料制作。
图2:1个量子位最多可与6个量子位结合
图2:1个量子位最多可与6个量子位结合

  USC验证的RAINIER的量子位间的结合状态。在128个量子位中,有20个不工作。图由《日经电子》根据USC的资料制作。

  D-Wave公司的QC和冯·诺伊曼结构QC分别可以解决的问题。冯·诺伊曼结构QC至少目前可解决的问题还非常少。而D-Wave的QC可解决的问题多,但能否非常快速地解决还是个未知数。

  曾被认为是“假的”

  从2007年D-Wave公司的开发品发布,业界就围绕它是不是真正的QC展开过激烈的争论。由于该公司直到最近都未公布有关开发品运行的详细数据,因此冯·诺伊曼结构QC的研究人员大多对D-Wave公司持怀疑态度。2009年底,相继有研究人员质疑说“D-Wave的QC是假的”。

  争论的焦点集中在D-Wave公司的处理器采用“模拟退火法(SA)还是量子退火法(QA)”上(图4)。模拟退火法一般是针对只能循环求解的问题,尽量提高求解程序效率的搜索方法之一。现有的计算机采用这种方法。

  本图为D-Wave One求解方法“量子退火法”与现有计算机可执行的求解方法“模拟退火法”的区别。

  而D-Wave主张该公司的QC采用了量子退火法。量子退火法虽然跟模拟退火法相似,但以量子位的量子力学为前提,理论上比模拟退火法效率应该更高。所以质疑派大多认为“D-Wave公司的量子计算机是采用模拟退火法的计算机”。

  此次USC证实D-Wave One不是采用模拟退火法而是量子退火法,事实上终结了以往的争论。此消息一出,曾自称是“D-Wave质疑派代表(chief D-Wave skeptic)”的美国麻省理工学院(MIT)副教授斯科特·阿伦森(Scott Aaronson)也承认D-Wave公司的计算机确实是量子计算机。不过,阿伦森认为,D-Wave公司的QC解决问题的速度是不是比现有计算机快很多还是个未知数。

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