D-wave的量子计算机综述

1、D-wave 的量子计算机不可能那么坑爹吗？2011-05-27 13:07:24这几天炒得很热的，国内有自制蘑菇云，国外有 D-wave 的量子计算机。貌似果壳（和松鼠 会资讯）也要做一做这个，我就先不泄漏什么，大家可以等着看。不过嘛，既然要写这个日志，还是要讨论一下D-wave他们家的东西的。我本来想说简单介 绍一下的，不过量子计算机这种东西太复杂了，简单介绍不一定容易明白，大家就将就一下 吧话说大自然是不喜欢高能量的东西的，因为高能量往往意味着不大稳定。所以，随便一个物 理体系，如果你不给它什么能量的话，它慢慢慢慢就会到达最低能量的状态，学名叫基态。说到这里的话，学计算机的人可能就开始想

2、到些什么了：这不就是解了一个最优化问题么？ 嗯，正是这样，自然就是不断在解各种各样的最优化问题。这里无节操广告一下，关于自然解优化问题的一个例子，可以参考松鼠会的文章：地址要到 原帖要，我还发不了。言归正传， D-wave 的 Rainier 芯片，也就是 D-wave One 里的芯片，其实就是干的这个活。 芯片就是一个物理体系，它的能量依赖于一系列参数，还有它内部的 128 个量子位的 0-1 取 值。它能优化的函数只能是 关于这些量子位的一个二次函数，不过这个问题已经很不容易 了。更精确地讲，这个叫QUBO （我希望没有记错）的问题是NP-hard的。如果能高速度解 决 它的话，那很多问

3、题都可以迎刃而解。对于一般的物理体系来说，能量的降低是通过热扰动来进行的。通过热扰动，物理体系可以 以小概率“借到”足够的能量，跳出局部最优达到全局最优。不过问题是，要是局部最优很 深”，也就是说要借的能量很大才能跳出去的话，仅仅通过热扰动就需要非常长的时间。大 概也是这个原因，一般也没人去用真实的物理系统 去优化某个函数。当然，这种热扰动的 物理直觉可以用来做优化问题的heuristic，这里就按下不表，大家可以期待人算不如天算 这个系列的新文章， 如果我还能写得出来的话好了，对于量子体系，它们有一种特殊的量子过程来干这个事情，那就是量子隧穿效应。它 可以无视“借”能量的要求，直接就“穿越”

4、过去了好比从山这边到山那边，热扰动干的 是晃来晃去，而且喜欢下山多于喜欢上山，但是因为它真的喜欢晃来晃去，所以也有机会跑 到山的另一边。而量子隧穿，则是看见山就打隧道，一招开山掌，还不用力气然后打 完隧道就直接晃过去，哪里能量低就更喜欢呆在哪里。于是， D-wave 就是借助量子隧穿效应来进行优化计算的。这当然比经典下的要快多了，它 会穿隧道么。最新的那篇 nature 论文其实也就是在说， D-wave 的技术的确利用了量子效应。但是，它有多快呢？目前没有证据表明， D-wave 的芯片可以在多项式时间里解决 QUBO。 它的计算时间依赖于基态和第二低能的态的能量差，但我们对于这 个能量差没

5、有一个很好 的界，于是也就不太能证明这个事情。不过按照实践的情况来看的话，还是比传统的计算机 要快得多，当然快多少我们具体是不知道的。但是D-wave最坑爹的地方还不在这里。实际上，D-wave的芯片不是一般科学界所说的量 子计算机。一般我们说的量子计算机，是指用量子门电路操纵量子位来进行计算的计算设备。它利用了 量子物理最基本的性质：量子状态是可以叠加的。打个不太恰当的比喻， 传统计算机可以 操纵n维的空间，量子计算机操纵的则是2M维的空间。不过，这个2M维的空间可不是随 便操纵的，只能用所谓 酉变换 来进行，所以也没 有想象中什么 同时搜索所有解答 那么 强大。顺便说一下，这个貌似也是对量

6、子计算机的误解之一。量子计算机是不能同时搜索所有解答 的。它可以对混合态进行运算，但是运算出来的结果本身也是混合了起来的。只有对特定的 问题，我们才能用特定的算法从混合的结果中抽取我们需要的信息。至于D-wave的芯片，正如前面所说，它利用的是量子隧穿效应，它的这项计算技术名为量 子退火，与量子门电路是非常不同的。比如说，能在量子门电路上运行的 Shor 算法（就是 能快速分解大合数，搞出来了会对各种密码系统，比如说椭圆曲线、离散对数和RSA，有 威胁的那个算法），实际上不能在 D-wave 的芯片上运行。而量子退火与量子门电路的计算 能力是否等价，至今仍然没有定论。不过一般的意见是认为量子退

7、火的计算能力比不上量子 门电路的计算能力。不过这也不是说D-wave的芯片一无是处，起码它在解决QUBO上的速度是独树一帜的，而 QUBO这个优化问题本身又可以在人工智能等方面找到应用。据 说Google就跟D-wave合 作过，用D-wave的量子退火芯片来做图像识别，貌似效果还不错。而且如果我们考虑到可 以进行量子门电路计算的量子计 算机设计，能利用的量子位数目至今不超过10，能分解的 最大的合数是15的话，那将D-wave的芯片看成是量子物理在计算方面目前最顶尖的应用， 那其实 也说得过去。以上概括一下，其实就是：D-wave 的芯片不是传统意义上利用量子门电路进行计算的芯片，严格意义来

8、讲不是一般说 的量子计算机，估计计算能力也没那么强；然而，如果将量子计算机 定义为关键的计算过 程依赖于量子效应的计算机的话，那么D-wave的芯片可以被称为量子计算机。另外,D-wave 的芯片不是万能的，它只能解决一个特 定的问题，不过这个特定的问题应用范围比较广， 所以还是比较有意义的。最后插播新闻：D-wave卖出了第一台D-wave One，这次的冤大头是Lockheed Martin公司， 不知道他家买这个是要干啥呢？量子计算机首次正式投入商用 要价一千万美元 加拿大量子计算公司D-Wave近日正式发布了全球第一款商用型量子计算机D -Wave One，量子电脑的梦想距离我们又近了

9、一大步。D-Wave公司的口号就是Yes, you can haveone.。量子计算机首次正式投入商用 要价一千万美元其实早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一台商用实用型量子计算机“Orion（猎户 座），不过严格来说当时那套系统还算不上真正意义的量子计算机，只是能用一些量子力学 方法解决问题的特殊用途机器。时隔四年之后，D-Wave One终于脱胎换骨、正式登场。它采用了 128-qubit（量子比特）的处 理器，四倍于之前的原型机，理论运算速度已经远远超越现有任何超级电子计算 机。不过 呢，也别太兴奋，这个大家伙现在还只能处理经过优化的特定任务，通用任务方面还远不是 传统硅

10、处理器的对手，而且编程方面也需要重新学习。D-Wave One在散热方面的要求也非常苛刻，必须由液氦全程保护，而之前原型用的是液氮, 温度接近绝对零度，但现在的商用机温度是多少并未透露。最后就是价格，D-Wave One目前的售价高达10000000美元，也就是一千万美元。这绝对是 天价中的天价了，不过也是新技术开端的必然，就像当初的第一台电子计算机ENIAC造价 就有 40 万美元（二十世纪四十年代的 40 万美元）。量子计算机首次正式投入商用要价一千万美元:LJaueThe Quantum Computing Company量子计算机首次正式投入商用 要价一千万美元D-Wave One量子

11、计算机系统量子计算机首次正式投入商用 要价一千万美元D-Wave One量子处理器晶圆量子计算机首次正式投入商用 要价一千万美元D-Wave One量子计算机系统与D-Wave公司创始人兼CTO Geordie Rose量子计算机首次正式投入商用 要价一千万美元 D-Wave CEO Vern Brownell上联为：赤条条来，深入裙中，海棠树上梨花颤。下联为光溜溜去，牡丹花下，嫩草尚绿老 牛归。横批：畜生入死 深入群众，出生入死 舒服死了从严格意义上来讲，D-Wave One只能叫量子模拟器，Quantum Simulator,只能处理内植的 特殊问题，比如量子退火算法，这不是个什么新东西，

12、一个可以用的粗浅文献是这个 HYPERLINK /qk/94913x/200809/28184632.html /qk/94913x/200809/28184632.html当然，D-Wave One肯定是个很牛的东西，UBC （加拿大数学排名前三的牛校）搞的，不过 叫他量子计算机还为时过早。按我们这里一个搞量子密码的德国人的说法，检验是不 是量 子计算机最简单的是能不能做10的80次方量级的数的素因子分解。现在D-Wave One的设 计根本还没有涉及这类一般性问题，也就是文中所提的一般性计算。我们国家肯定不能说是量子计算领域的世界No.l,但这是我们第一次在人类现代产业革命 里没有被大家甩

13、开，在这个第五次科技革命里，我们是有机会有一席之地的。大家裤衩不能 太红，但因为这个东西就说是我们的高潮被打破了，那也属于自我刷白。中国科大合作研究在世界上首次实现拓扑量子纠错 近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室（筹）潘建伟及其同事陈宇翱、刘 乃乐等组成的研究小组与澳大利亚和加拿大的研究人员合作，将拓扑量子 计算和量子纠错 理论结合在一起，利用具有拓扑性质的八光子簇态，在世界上首次成功实现了拓扑量子纠错。 该项研究成果以长文（Article）的形式发表在2月23日出版的纪念计算机之父图灵诞辰 100 周年的自然杂志上。这是量子信息领域以中国为第一单位发表在自然杂志上的 首篇长文

14、。量子计算机由于其超越经典计算机极限的强大并行运算能力，成为二十一世纪量子物理学家 们梦寐以求的目标。然而，学术界公认的长期困扰其物理实现的最大问题 消相干效应 由于量子计算机不可避免地与环境耦合而产生的各种噪声从而使计算过程产生各种错误，一 直没有得到很好的解决。国际上以往提出的众多量子 纠错方案中，一般采用对每一步逻辑 操作都进行量子纠错的方法。这样，为了可扩展量子计算能够有效进行，要求每一步逻辑操 作的错误发生率都不得高于 10-5 量级，而这么低的容错率是目前任何实验手段都无法实现 的。近年来，学术界提出了拓扑量子纠错这一全新概念，把量子态的拓扑性质应用于量子纠错过 程中，从而将量子纠

15、错中可容忍的最高逻辑操作错误发生率提高了三个数 量级，达到10-2 量级。拓扑量子纠错方案大大降低了对操作精度的要求，达到了现有实验技术可以实现的水 平，是目前已知拥有最高容错率的量子计算方案，从 而使得可扩展容错性量子计算在现实 条件下成为可能。在中科院、科技部和国家自然科学基金委的支持下，潘建伟研究小组经过三年的艰苦努力， 创造性地发展了一套全新的实验技术，将双光子纠缠的亮度提高了 4 倍，从而使得制备八 光子簇态的总效率至少提高了200倍，仅用八十天时间就完成了实验，这在以前几乎是不可 能实现的。同时，研究人员还设计了一种特殊 的、滤除噪声的八光子干涉仪，成功制造出 并观测到了具有拓扑性

16、质的八光子簇态，并以此簇态为量子计算的核心资源，实现了拓扑量 子纠错。实验结果显示，在拓扑量子计算的过程中可以完全纠正出现在任意量子比特上的单比特错 误，而且当每个量子比特都以相同概率发生错误时，受保护的量子关联的有效错误率会大大 降低。这项工作在实验上迈出了可扩展容错性量子计算的第一步，在量子计算领域具有里程碑式的 意义，它将有力地推动可扩展量子计算的发展，为将来成功实现真正的量子计算打下坚实的 基础。对于该篇文章实现的目前所有已知的量子计算方案中拥有最高容错率的拓扑量子纠错方案 的实验证明，自然杂志的几位审稿人给予了高度评价，称之为 非常重要的原理性实验， 一个艰苦卓绝的英雄主义的量子光学

17、实验 ，实验的完成是完美而极具挑战性的 ，对拓扑 纠错这一当前量子信息处理最引人注目的 范例中关键一环的实验验证 。为此，自然专 门发布了Press release ，并邀请著名量子光学专家James Franson教授在新闻视角栏目撰 文对该项工作进行了介绍。此外，文章还受到了英国物理学会的PhysicsWorld等许多科学媒 体的关注。Operational Quantum Computing Center Established at USC南加州大学建立可实际运行的量子计算机中心。 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