對D-Wave “至高無(wú)上”的爭議掩蓋了真正的進(jìn)步

本月早些時(shí)候，量子計算公司 D-Wave 表示它可以解決經(jīng)典計算機能力之外的問(wèn)題，從而引發(fā)了爭議。這一說(shuō)法很快受到了質(zhì)疑，但專(zhuān)家表示，盡管引起了憤怒，但結果表明其技術(shù)的能力不斷增強。

“量子霸權”是指量子計算機可以解決經(jīng)典計算機基本上不可能解決的問(wèn)題，已成為量子計算行業(yè)的指路明燈。谷歌、初創(chuàng )公司 Xanadu 和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員都聲稱(chēng)已經(jīng)跨越了這一里程碑。但它們因使用嚴重偏向量子硬件的測試而受到批評，因為它們本質(zhì)上是讓這些處理器產(chǎn)生隨機輸出，然后挑戰經(jīng)典計算機來(lái)模擬它。

總部位于加利福尼亞州帕洛阿爾托的 D-Wave 現在是最新一家聲稱(chēng)擁有量子霸權的公司，其結果于 3 月 12 日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。但這次的實(shí)驗涉及量子模擬，該公司表示，這些模擬對科學(xué)研究和材料發(fā)現都有潛在價(jià)值。D-Wave 的說(shuō)法遭到了專(zhuān)門(mén)在經(jīng)典硬件上模擬量子系統的專(zhuān)家的反對，但該公司堅持自己的立場(chǎng)。

“我們聲稱(chēng)這臺機器可以模擬一些經(jīng)典無(wú)法解決的問(wèn)題，并回答一些經(jīng)典永遠無(wú)法回答的科學(xué)問(wèn)題，”D-Wave 的首席科學(xué)家 Mohammad Amin 說(shuō)?！拔艺J為，這種說(shuō)法將永遠存在?！?/p>

雖然 Google、IBM 和 IonQ 等公司正在構建原則上可以運行任何量子算法的“通用量子計算機”，但 D-Wave 的機器依賴(lài)于一種稱(chēng)為量子退火的過(guò)程。這種方法只能處理某些類(lèi)型的任務(wù)，最突出的是優(yōu)化問(wèn)題。它涉及將問(wèn)題的參數仔細編程到機器的量子比特中，然后讓它們隨著(zhù)時(shí)間的推移而發(fā)展以找到解決方案。

在其最新的實(shí)驗中，D-Wave 的研究人員使用了其新型 Advantage2 處理器的原型，該處理器具有大約 1,200 個(gè)超導量子比特，以模擬具有不同結構和尺寸的磁性材料在不同時(shí)間尺度上的量子動(dòng)力學(xué)。然后，他們與外部研究人員合作，這些研究人員試圖使用領(lǐng)先的經(jīng)典技術(shù)來(lái)復制結果。在《科學(xué)》雜志的論文中，作者聲稱(chēng)，在橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室的 Frontier 超級計算機上，將 D-Wave 的結果與最大問(wèn)題相匹配將采用最好的經(jīng)典方法，稱(chēng)為矩陣積態(tài) （MPS），長(cháng)達數百萬(wàn)年。

D-Wave 與傳統計算的爭論

D-Wave 的量子霸權主張很快就受到了挑戰。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員證明，他們可以使用四個(gè)圖形處理單元在短短幾天內完成 D-Wave 估計表明在 Frontier 上需要 150 多年的計算。來(lái)自紐約市 Flatiron Institute 的另一組團隊表明，將 MPS 與另一種算法技術(shù)相結合，使他們能夠在短短幾個(gè)小時(shí)內在單個(gè) CPU 上仿真一些較小的模型。他們還表明，該方法可以很容易地擴展到更大的問(wèn)題。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院物理學(xué)副教授、《科學(xué)》論文的合著(zhù)者 Juan Carrasquilla 說(shuō)，這兩項研究都推動(dòng)了經(jīng)典技術(shù)的最新發(fā)展，他進(jìn)行了 D-Wave 基準的 MPS 計算。但他說(shuō)，這兩項研究都沒(méi)有推翻該論文的核心主張，因為這兩個(gè)小組都只解決了該公司模擬的問(wèn)題的一個(gè)子集，而且時(shí)間尺度更短。雖然這些方法在紙面上看起來(lái)可擴展，但在實(shí)踐中可能比看起來(lái)更具挑戰性。

“這縮小了索賠的范圍，但如果你想完全推翻它，你應該能夠模擬 D-Wave 在論文中提出的系統，”Carrasquilla 說(shuō)。

熨斗研究所（Flatiron Institute）的研究科學(xué)家邁爾斯·斯圖登邁爾（Miles Stoudenmire）說(shuō)，他的團隊沒(méi)有看到將他們的方法擴展到更大問(wèn)題的科學(xué)價(jià)值，但他們現在計劃這樣做來(lái)證明這一點(diǎn)。不過(guò)，更廣泛地說(shuō)，他對 D-Wave 的霸權主張提出了異議，因為它忽視了經(jīng)典方法進(jìn)一步發(fā)展的可能性。

“核心問(wèn)題是，他們的說(shuō)法不僅不是真的，而且在某種意義上也不可能是真的，因為這是關(guān)于未來(lái)的聲明，”他說(shuō)?！拔覀儼l(fā)現這種語(yǔ)言非常令人反感，坦率地說(shuō)，這是不科學(xué)的?！?/p>

無(wú)論是否最高，結果都可能有用

關(guān)于 D-Wave 的機器是否能超越可以想象的最快計算機的爭議也掩蓋了一個(gè)更相關(guān)的事實(shí)——它比當今最好的經(jīng)典技術(shù)要快得多。雖然還有其他權衡需要考慮，例如成本和系統的不靈活性，但 Stoudenmire 表示，使用他的方法需要數小時(shí)才能解決的問(wèn)題，而 D-Wave 的機器可以在幾分之一秒內解決。

巴黎綜合理工學(xué)院 （école Polytechnique） 的人工智能和凝聚態(tài)物理學(xué)教授 Filippo Vicentini 表示，即使 D-Wave 的機器無(wú)法展示至高無(wú)上的地位，它仍然可能具有實(shí)際優(yōu)勢?！叭绻阌幸粋€(gè)可以在幾分鐘內完成工作的量子處理器，你就不會(huì )想讓 GPU 運行數百或數千個(gè)小時(shí)，”他說(shuō)。

然而，Vicentini 說(shuō)，雖然可能有一些科學(xué)問(wèn)題可以通過(guò)模擬《科學(xué)》論文中介紹的量子動(dòng)力學(xué)來(lái)回答，但沒(méi)有明顯的商業(yè)應用。在 2023 年《自然》雜志的一篇論文中，D-Wave 表明，一些優(yōu)化問(wèn)題可以映射到這種類(lèi)型的量子模擬上，并且它的機器可以比經(jīng)典計算機更快地完成這些模擬。但 Vicentini 指出，有大量強大的經(jīng)典優(yōu)化算法可以直接解決這些問(wèn)題，而無(wú)需先將它們轉換為量子模擬。

Carrasquilla 對此表示贊同，并指出媒體報道表明該結果可能具有實(shí)際應用具有誤導性?！爱斎藗冋f(shuō)我們現在可以模擬材料時(shí)，這指的是材料的一個(gè)非常非常小的角落，絕對不是分子，不是藥物發(fā)現，不是材料發(fā)現，”他說(shuō)?！皩τ诮y計力學(xué)和量子多體物理學(xué)來(lái)說(shuō)，這非常有趣，但對于商業(yè)相關(guān)的問(wèn)題，我認為這還很遙遠?！?/p>

洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室（Los Alamos National Laboratory）的科學(xué)家卡爾頓·科夫林（Carleton Coffrin）則更為樂(lè )觀(guān)。他領(lǐng)導了一個(gè)項目，使用 D-Wave 的計算機來(lái)模擬“量子磁體”，有朝一日，量子磁體可能會(huì )成為量子計算機的超精密傳感器或存儲設備的基礎。事實(shí)證明，在短短幾分鐘內即可在超級計算機上運行需要數天時(shí)間的實(shí)驗的能力特別強大?！斑@使得凝聚態(tài)理論專(zhuān)家能夠幾乎實(shí)時(shí)地與硬件進(jìn)行交互，”Coffrin 說(shuō)?！斑@只會(huì )大大加快您獲得的見(jiàn)解類(lèi)型?！?/p>

自 2017 年以來(lái)，該小組還一直在測試 D-Wave 的量子計算機優(yōu)化問(wèn)題。Coffrin 說(shuō)，《科學(xué)》雜志上報道的量子模擬沒(méi)有直接應用于這類(lèi)問(wèn)題，但每次 D-Wave 升級其底層量子比特技術(shù)時(shí)，他的團隊都看到了性能的顯著(zhù)提升。2022 年，他們報告說(shuō)，在某些優(yōu)化問(wèn)題上，具有大約 5500 個(gè)量子比特的老一代 D-Wave 計算機的速度是最好的經(jīng)典算法的 15 倍。

這種差距可能可以通過(guò)共同努力開(kāi)發(fā)新的經(jīng)典算法來(lái)縮小。但是，如果該公司能夠將量子比特數量翻倍到 10,000 個(gè)，Coffrin 懷疑經(jīng)典方法將越來(lái)越難以跟上?！霸谶@種規模下，在其他條件相同的情況下，古典比賽還有很長(cháng)的路要走，”他說(shuō)?！澳菚?huì )很困難?！?/p>

D-Wave 聲稱(chēng)，其量子計算機通過(guò)解決經(jīng)典計算機無(wú)法解決的問(wèn)題實(shí)現了“量子霸權”——至少在現實(shí)的時(shí)間范圍內是這樣。