量子的飛躍：下一代D-Wave量子芯片計算速度能快1000倍

　　導讀：量子計算機(Quantum Computer)是一種使用量子邏輯進(jìn)行通用計算的設備。不同于電子計算機(或稱(chēng)傳統電腦)，量子計算機用來(lái)存儲數據的對象是量子比特，它使用量子算法進(jìn)行數據操作。

　　我們也許離真正解鎖量子計算的真實(shí)力量還很遠，但是D-Wave承諾通過(guò)其顯著(zhù)升級的量子處理器讓我們一嘗未來(lái)的滋味。

　　當其明年初發(fā)布時(shí)，這家加拿大公司新的量子芯片將能處理2000量子比特的數據(qubits)，幾乎是現有D-Wave 2X系統中處理器可用數量的兩倍，同時(shí)能夠比前代產(chǎn)品的處理速度快1000倍。

　　D-Wave機器都是價(jià)值數百萬(wàn)美元的電腦，其使用“量子晶體管”來(lái)處理數據，另外使用液氮來(lái)冷卻細小的環(huán)形鈮到絕對零度。只有很少一些地方在使用這個(gè)系統，包括谷歌和高?？臻g研究學(xué)會(huì )(Universities Space Research Association)、洛克希德馬丁(Lockheed Martin)和洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室(Los Alamos National Laboratory)。此外，D-Wave也提供云端服務(wù)允許用戶(hù)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)它的量子計算機系統。

　　量子計算仍然大部分處于理論研究階段，其主要研究如何利用的奇怪和違反直覺(jué)的方式，在原子水平上開(kāi)發(fā)非常強大的機器。對于某些特定任務(wù)，量子計算機有潛力比現有的系統要明顯快上許多倍，同時(shí)更加節能。但是通用的量子計算機目前還不存在，D-Wave系統利用不同的原子行為特性(比如糾纏和狀態(tài)疊加等)來(lái)解決一系列困難的計算問(wèn)題。

　　“我們選擇的方向發(fā)展十分迅速，幾乎每年量子比特的數目都會(huì )翻一倍。”D-Wave業(yè)務(wù)發(fā)展和戰略合作伙伴Colin Williams說(shuō)道。

　　提升D-Wave處理器中的量子比特使得系統更加靠近擁有挑戰傳統計算機的能力，同時(shí)新的處理器也支持添加新的特性(允許進(jìn)行更有效地運算)。

　　“從內部測試來(lái)看，這是一個(gè)非常值得去做的事情。通過(guò)利用這種特性我們已經(jīng)加速了1000倍去解決那些存在的問(wèn)題。”劍橋CW TEC的William這樣說(shuō)道。

　　如果按照今日的計算機來(lái)類(lèi)比的話(huà)，D-Wave系統不是通用的計算機。

　　D-Wave能做的遠不止你要求的任一計算任務(wù)，它被設計來(lái)是處理一些特定的任務(wù)(像無(wú)約束二進(jìn)制優(yōu)化及相關(guān)取樣問(wèn)題等)。有關(guān)這類(lèi)優(yōu)化問(wèn)題可以舉一個(gè)非常簡(jiǎn)單的例子，你要制定一個(gè)房子的規劃，它要盡可能符合你心目中理想的條件、細節，但是又要保持在你的預算范圍中。

　　D-Wave處理器能夠執行的特定工作也能應用到一系列領(lǐng)域中，特別是訓練機器學(xué)習模型。

　　然而，建立通用的量子計算機仍然存在十分巨大的困難，有幾個(gè)尚未解決的工程難題擺在面前。UCL納米電子學(xué)和光子學(xué)教授John Morton通過(guò)過(guò)去芯片發(fā)展趨勢推算，預測第一代通用量子計算處理器不會(huì )在21世紀30年代之前出現。

　　John Morton提到僅僅一個(gè)計算器的話(huà)并不能稱(chēng)為計算機，因此D-Wave系統并不能說(shuō)是一個(gè)通用的量子計算機。“一個(gè)計算器能夠解決許多特定的問(wèn)題。很多人都在使用它，并且你也能在不同的工業(yè)領(lǐng)域中使用它。因此當D-Wave展示出很多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中都可以運用它們的機器時(shí)，也許確實(shí)其可以被應用到該領(lǐng)域中，但是它仍然只是一個(gè)特定的設備而已。”

　　雖然谷歌目前并沒(méi)有將D-Wave運用到自身的機器學(xué)習系統中，但是D-Wave處理器的可信度(一直有學(xué)術(shù)界人士質(zhì)疑)在去年谷歌的一個(gè)實(shí)驗中得到驗證。

　　在谷歌的實(shí)驗中，處理同樣大小數據量時(shí)D-Wave所需要的退火時(shí)間要少幾個(gè)數量級，下圖所示為模擬退火方法(SA),量子蒙特卡洛方法及D-Wave 2X在執行退火操作所用時(shí)間的對比結果。

　　該實(shí)驗發(fā)現D-Wave 2X處理器在進(jìn)行相似的操作中比傳統的處理器要快上1億倍，不過(guò)Williams說(shuō)更重要是，這證明了D-Wave的芯片在未來(lái)的可行性。

　　實(shí)驗中也為我們展示了D-Wave 2X處理器在處理弱-強集群網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題方面的幾個(gè)實(shí)例的布局圖(見(jiàn)下圖)。圖中所示為三個(gè)不同規模大小的網(wǎng)絡(luò )295,490，945量子比特。每一個(gè)集群由Chimera圖的一個(gè)8量子比特單元構成。橙色的點(diǎn)所描述的是一個(gè)強局部場(chǎng)的量子比特，藍綠色的點(diǎn)代表弱場(chǎng)的量子比特。藍色線(xiàn)代表強磁耦合，紅色線(xiàn)代表強反磁耦合。注意，由于并不是所有的1152量子比特都具有可操作性，所得到的圖像可能呈現無(wú)規律性。

　　“該實(shí)驗的主要結果并不完全是速度的提升，因為在其他經(jīng)典算法上能夠做到更好。這個(gè)實(shí)驗表明量子隧穿真的在D-Wave芯片中發(fā)生著(zhù)。這說(shuō)明即便隧穿范圍是有限的，它仍然是一個(gè)有用的計算工具。”

　　“谷歌同我們一樣明白，當我們進(jìn)一步使得芯片更加緊密連接時(shí)，目前運行良好的經(jīng)典算法將會(huì )馬上完全失敗。”Williams另外提到。

　　D-Wave已經(jīng)從許多投資者那邊募集了幾百萬(wàn)美金，投資者包括高盛投資銀行、In-Q-Tel(美國中央情報局投資部)、Bezos Expeditions(亞馬遜創(chuàng )始人Jeff Bezos)以及BDC Capital、Harris & Harris Group和DFJ。

　　一臺能夠模仿人類(lèi)說(shuō)話(huà)的機器

　　D-Wave芯片太過(guò)于專(zhuān)業(yè)化，反而限制了其實(shí)用性，這是關(guān)于這種芯片的另一種批判性觀(guān)點(diǎn)，但是， Willams并不贊同這種觀(guān)點(diǎn)。

　　“認為D-Wave芯片用途過(guò)于單一，我不贊同這種觀(guān)點(diǎn)。事實(shí)上，該種芯片在一個(gè)領(lǐng)域的應用能夠被擴展到更多不同的領(lǐng)域”，他表示。

　　Williams未直接提及有哪些公司通過(guò)這種方式運用D-Wave芯片，他表示，這類(lèi)處理器被應用于商業(yè)領(lǐng)域來(lái)優(yōu)化交易軌跡，在生物科學(xué)中用于研究蛋白質(zhì)是如何組合的，并構建蛋白質(zhì)序列過(guò)濾器，以便精確檢測每一個(gè)潛在的蛋白質(zhì)序列，D-Wave芯片的這種應用有助于改善檢測恐怖分子名單的安檢服務(wù)，同時(shí)也有助于研發(fā)AI和計算機視覺(jué)二元分類(lèi)器。

　　但是，D-Wave芯片的理論基礎是無(wú)監督機器學(xué)習，為一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )提供訓練數據，機器通過(guò)識別模式進(jìn)行學(xué)習。Williams認為，D-Wave處理器將產(chǎn)生巨大的影響，也許能夠解釋Google在該技術(shù)領(lǐng)域的研究興趣。

　　“我們認為，機器學(xué)習與AI是這種機器最優(yōu)的應用案例。D-Wave芯片將有可能為機器學(xué)習領(lǐng)域，尤其是為無(wú)監督生成學(xué)習研究，帶來(lái)一場(chǎng)徹底的革命”，他認為。

　　“利用這種量子芯片，我們將有能力解決機器學(xué)習領(lǐng)域先前出現的極具挑戰性的問(wèn)題——‘如何使無(wú)監督生成型機器學(xué)習能夠有效地投入到實(shí)際應用中?’”

　　如果能夠解決上述問(wèn)題，你將能夠運用機器學(xué)習實(shí)現許多不可思議的突破。通過(guò)訓練機器，你能夠使它生成新的數據，從統計學(xué)層面來(lái)講，新生成的數據能夠達到與用于訓練機器本身的數據高度相似的效果。

　　Williams預測，未來(lái)的D-Wave芯片能夠訓練機器，例如用繪畫(huà)大師的作品來(lái)訓練機器，使機器能夠生成具有藝術(shù)價(jià)值的新作品，或者使機器能夠高度逼真地模仿人類(lèi)的聲音。

　　D-Wave已經(jīng)在芯片上運用機器學(xué)習進(jìn)行過(guò)實(shí)驗，構建出一種玻爾茲曼機，一種隨機遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，也可以稱(chēng)之為“量子玻爾茲曼機”，Willams表示，“這種量子玻爾茲曼機在本質(zhì)上有別于先前的機器學(xué)習模型”。

　　Williams認為，D-Wave芯片，或其他類(lèi)型的量子處理器不會(huì )取代一些經(jīng)典的計算機芯片，反之，將會(huì )與這些經(jīng)典的芯片共同被用戶(hù)使用。

　　“我們認為，量子計算不會(huì )取代經(jīng)典的機器，這種計算方法將通過(guò)強化經(jīng)典的系統來(lái)改變世界”，Williams表示。

　　例如，你能夠獲取一臺量子計算機的輸出信息，將其作為輸入信息運用到一種啟發(fā)式搜索算法中。核心觀(guān)點(diǎn)是這種量子算法有助于你接近而不能夠找到一種好的解決方案，而一種經(jīng)典的算法則能夠有助于最終找到這種解決方案。

　　我們也可以從一些預處理技術(shù)中選取一個(gè)難以解決的問(wèn)題，運用這種量子芯片將這個(gè)問(wèn)題分解為一系列小問(wèn)題。

　　Williams表示，除了能夠處理2000量子比特，D-Wave將基于我們學(xué)習到的所有經(jīng)驗，運用一種新型拓撲結構，設計出一種“下一代芯片”。

　　關(guān)于新型D-Wave芯片的更多詳細信息

　　針對那些對實(shí)質(zhì)問(wèn)題感興趣的專(zhuān)業(yè)人士，Williams對2,000量子比特芯片的性能做出了深度解說(shuō)。

　　每一個(gè)D-Wave處理器的設計宗旨是用于量子退火，即運用量子物理學(xué)知識找到一種消耗能量最小的狀態(tài)，這將有利于解決優(yōu)化問(wèn)題和上述提到的相關(guān)樣本問(wèn)題。關(guān)于這種新型芯片如何更加有效地控制退火過(guò)程，Williams也做出了詳細解釋。

　　經(jīng)過(guò)參考哈密頓公式(在給出一個(gè)系統的狀態(tài)的條件下，運用該公式能夠在該系統中輸出能量)，他表示，“這種新型芯片不僅僅能夠處理更多的量子比特，我們已經(jīng)運用它改變了許多其他特征。運用先前的D-Wave芯片，我們只能夠觀(guān)察一種退火軌跡。目前，我們只能基本做到閉合初始哈密頓回路，打開(kāi)最終哈密頓回路”。

　　現在運用能夠處理2,000量子比特的芯片，我們將能夠更好地控制參數，控制軌跡。

　　我們能夠運用很多特征中止退火過(guò)程，并且能夠快速加速這一過(guò)程。不再需要以一種恒定的速度執行退火這一過(guò)程。

　　這將是非常有趣的，因為你能夠在退火正在進(jìn)行的過(guò)程中，探測量子的狀態(tài)，這是量子玻爾茲曼機的一個(gè)極為重要的特征。

　　我們先前也擁有一個(gè)快速退火生成系統，能夠在20微秒內操作完成退火過(guò)程。不過(guò)，運用我們的新系統，能夠實(shí)現在5微秒能完成這一操作。