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，國內(nèi)有自制蘑菇云，國外有 D-wave 的量子計(jì)算機(jī)。貌似果殼（和松鼠 會資訊）也要做一做這個，我就先不泄漏什么，大家可以等著看。不過嘛，既然要寫這個日志，還是要討論一下D-wave他們家的東西的。我本來想說簡單介 紹一下的，不過量子計(jì)算機(jī)這種東西太復(fù)雜了，簡單介紹不一定容易明白，大家就將就一下 吧話說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，隨便一個物 理體系，如果你不給它什么能量的話，它慢慢慢慢就會到達(dá)最低能量的狀態(tài)，學(xué)名叫基態(tài)。說到這里的話，學(xué)計(jì)算機(jī)的人可能就開始想

2、到些什么了：這不就是解了一個最優(yōu)化問題么？ 嗯，正是這樣，自然就是不斷在解各種各樣的最優(yōu)化問題。這里無節(jié)操廣告一下，關(guān)于自然解優(yōu)化問題的一個例子，可以參考松鼠會的文章：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)就是干的這個活。 芯片就是一個物理體系，它的能量依賴于一系列參數(shù)，還有它內(nèi)部的 128 個量子位的 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二次函數(shù)，不過這個問題已經(jīng)很不容易 了。更精確地講，這個叫QUBO （我希望沒有記錯）的問題是NP-hard的。如果能高速度解 決 它的話，那很多問

3、題都可以迎刃而解。對于一般的物理體系來說，能量的降低是通過熱擾動來進(jìn)行的。通過熱擾動，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)。不過問題是，要是局部最優(yōu)很 深”，也就是說要借的能量很大才能跳出去的話，僅僅通過熱擾動就需要非常長的時間。大 概也是這個原因，一般也沒人去用真實(shí)的物理系統(tǒng) 去優(yōu)化某個函數(shù)。當(dāng)然，這種熱擾動的 物理直覺可以用來做優(yōu)化問題的heuristic，這里就按下不表，大家可以期待人算不如天算 這個系列的新文章， 如果我還能寫得出來的話好了，對于量子體系，它們有一種特殊的量子過程來干這個事情，那就是量子隧穿效應(yīng)。它 可以無視“借”能量的要求，直接就“穿越”

4、過去了好比從山這邊到山那邊，熱擾動干的 是晃來晃去，而且喜歡下山多于喜歡上山，但是因?yàn)樗娴南矚g晃來晃去，所以也有機(jī)會跑 到山的另一邊。而量子隧穿，則是看見山就打隧道，一招開山掌，還不用力氣然后打 完隧道就直接晃過去，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 會穿隧道么。最新的那篇 nature 論文其實(shí)也就是在說， D-wave 的技術(shù)的確利用了量子效應(yīng)。但是，它有多快呢？目前沒有證據(jù)表明， D-wave 的芯片可以在多項(xiàng)式時間里解決 QUBO。 它的計(jì)算時間依賴于基態(tài)和第二低能的態(tài)的能量差，但我們對于這 個能量差沒

5、有一個很好 的界，于是也就不太能證明這個事情。不過按照實(shí)踐的情況來看的話，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)界所說的量 子計(jì)算機(jī)。一般我們說的量子計(jì)算機(jī)，是指用量子門電路操縱量子位來進(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，這個2M維的空間可不是隨 便操縱的，只能用所謂 酉變換 來進(jìn)行，所以也沒 有想象中什么 同時搜索所有解答 那么 強(qiáng)大。順便說一下，這個貌似也是對量

6、子計(jì)算機(jī)的誤解之一。量子計(jì)算機(jī)是不能同時搜索所有解答 的。它可以對混合態(tài)進(jìn)行運(yùn)算，但是運(yùn)算出來的結(jié)果本身也是混合了起來的。只有對特定的 問題，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，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，與量子門電路是非常不同的。比如說，能在量子門電路上運(yùn)行的 Shor 算法（就是 能快速分解大合數(shù)，搞出來了會對各種密碼系統(tǒng)，比如說橢圓曲線、離散對數(shù)和RSA，有 威脅的那個算法），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電路的計(jì)算 能力是否等價，至今仍然沒有定論。不過一般的意見是認(rèn)為量子退

7、火的計(jì)算能力比不上量子 門電路的計(jì)算能力。不過這也不是說D-wave的芯片一無是處，起碼它在解決QUBO上的速度是獨(dú)樹一幟的，而 QUBO這個優(yōu)化問題本身又可以在人工智能等方面找到應(yīng)用。據(jù) 說Google就跟D-wave合 作過，用D-wave的量子退火芯片來做圖像識別，貌似效果還不錯。而且如果我們考慮到可 以進(jìn)行量子門電路計(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10，能分解的 最大的合數(shù)是15的話，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) 也說得過去。以上概括一下，其實(shí)就是：D-wave 的芯片不是傳統(tǒng)意義上利用量子門電路進(jìn)行計(jì)算的芯片，嚴(yán)格意義來

8、講不是一般說 的量子計(jì)算機(jī)，估計(jì)計(jì)算能力也沒那么強(qiáng)；然而，如果將量子計(jì)算機(jī) 定義為關(guān)鍵的計(jì)算過 程依賴于量子效應(yīng)的計(jì)算機(jī)的話，那么D-wave的芯片可以被稱為量子計(jì)算機(jī)。另外,D-wave 的芯片不是萬能的，它只能解決一個特 定的問題，不過這個特定的問題應(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賣出了第一臺D-wave One，這次的冤大頭是Lockheed Martin公司， 不知道他家買這個是要干啥呢？量子計(jì)算機(jī)首次正式投入商用 要價一千萬美元 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，量子電腦的夢想距離我們又近了

9、一大步。D-Wave公司的口號就是Yes, you can haveone.。量子計(jì)算機(jī)首次正式投入商用 要價一千萬美元其實(shí)早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一臺商用實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)“Orion（獵戶 座），不過嚴(yán)格來說當(dāng)時那套系統(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) 方法解決問題的特殊用途機(jī)器。時隔四年之后，D-Wave One終于脫胎換骨、正式登場。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)有任何超級電子計(jì)算 機(jī)。不過 呢，也別太興奮，這個大家伙現(xiàn)在還只能處理經(jīng)過優(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?？量蹋仨氂梢汉と瘫Ｗo(hù)，而之前原型用的是液氮, 溫度接近絕對零度，但現(xiàn)在的商用機(jī)溫度是多少并未透露。最后就是價格，D-Wave One目前的售價高達(dá)10000000美元，也就是一千萬美元。這絕對是 天價中的天價了，不過也是新技術(shù)開端的必然，就像當(dāng)初的第一臺電子計(jì)算機(jī)ENIAC造價 就有 40 萬美元（二十世紀(jì)四十年代的 40 萬美元）。量子計(jì)算機(jī)首次正式投入商用要價一千萬美元:LJaueThe Quantum Computing Company量子計(jì)算機(jī)首次正式投入商用 要價一千萬美元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 要價一千萬美元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 要價一千萬美元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 要價一千萬美元 D-Wave CEO Vern Brownell上聯(lián)為：赤條條來，深入裙中，海棠樹上梨花顫。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 特殊問題，比如量子退火算法，這不是個什么新東西，

12、一個可以用的粗淺文獻(xiàn)是這個 HYPERLINK /qk/94913x/200809/28184632.html /qk/94913x/200809/28184632.html當(dāng)然，D-Wave One肯定是個很牛的東西，UBC （加拿大數(shù)學(xué)排名前三的牛校）搞的，不過 叫他量子計(jì)算機(jī)還為時過早。按我們這里一個搞量子密碼的德國人的說法，檢驗(yàn)是不 是量 子計(jì)算機(jī)最簡單的是能不能做10的80次方量級的數(shù)的素因子分解?，F(xiàn)在D-Wave One的設(shè) 計(jì)根本還沒有涉及這類一般性問題，也就是文中所提的一般性計(jì)算。我們國家肯定不能說是量子計(jì)算領(lǐng)域的世界No.l,但這是我們第一次在人類現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)革命 里沒有被大家甩

13、開，在這個第五次科技革命里，我們是有機(jī)會有一席之地的。大家褲衩不能 太紅，但因?yàn)檫@個東西就說是我們的高潮被打破了，那也屬于自我刷白。中國科大合作研究在世界上首次實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔蛹m錯 近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室（籌）潘建偉及其同事陳宇翱、劉 乃樂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 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。 該項(xiàng)研究成果以長文（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)域以中國為第一單位發(fā)表在自然雜志上的 首篇長文

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 們夢寐以求的目標(biāo)。然而，學(xué)術(shù)界公認(rèn)的長期困擾其物理實(shí)現(xiàn)的最大問題 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)算過程產(chǎn)生各種錯誤，一 直沒有得到很好的解決。國際上以往提出的眾多量子 糾錯方案中，一般采用對每一步邏輯 操作都進(jìn)行量子糾錯的方法。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 作的錯誤發(fā)生率都不得高于 10-5 量級，而這么低的容錯率是目前任何實(shí)驗(yàn)手段都無法實(shí)現(xiàn) 的。近年來，學(xué)術(shù)界提出了拓?fù)淞孔蛹m錯這一全新概念，把量子態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)應(yīng)用于量子糾錯過 程中，從而將量子糾

15、錯中可容忍的最高邏輯操作錯誤發(fā)生率提高了三個數(shù) 量級，達(dá)到10-2 量級。拓?fù)淞孔蛹m錯方案大大降低了對操作精度的要求，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率的量子計(jì)算方案，從 而使得可擴(kuò)展容錯性量子計(jì)算在現(xiàn)實(shí) 條件下成為可能。在中科院、科技部和國家自然科學(xué)基金委的支持下，潘建偉研究小組經(jīng)過三年的艱苦努力， 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，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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在拓?fù)淞孔佑?jì)算的過程中可以完全糾正出現(xiàn)在任意量子比特上的單比特錯 誤，而且當(dāng)每個量子比特都以相同概率發(fā)生錯誤時，受保護(hù)的量子關(guān)聯(lián)的有效錯誤率會大大 降低。這項(xiàng)工作在實(shí)驗(yàn)上邁出了可擴(kuò)展容錯性量子計(jì)算的第一步，在量子計(jì)算領(lǐng)域具有里程碑式的 意義，它將有力地推動可擴(kuò)展量子計(jì)算的發(fā)展，為將來成功實(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率的拓?fù)淞孔蛹m錯方案 的實(shí)驗(yàn)證明，自然雜志的幾位審稿人給予了高度評價，稱之為 非常重要的原理性實(shí)驗(yàn)， 一個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 ，對拓?fù)?糾錯這一當(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 門發(fā)布了Press release ，并邀請著名量子光學(xué)專家James Franson教授在新聞視角欄目撰 文對該項(xiàng)工作進(jìn)行了介紹。此外，文章還受到了英國物理學(xué)會的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