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D-Wave是真正的量子電腦嗎?

上網時間: 2015年05月18日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:量子電腦  D-Wave One  量子位元  絕熱  量子運算 

儘管一般認為量子電腦仍處於研發階段,加拿大D-Wave Systems卻早已在2011年發佈一款號稱「全球首款商用量子電腦」的D-Wave One電腦裝置。然而,一直有許多批評人士質疑它並不是一款「真正的」量子電腦。

最近,我得向一名讀者解釋為什麼批評人士指稱D-Wave的「量子電腦」並不是「真正的」量子電腦,他最後可能礙於我在這個領域的「權威」而接受了我的答案。然而,這個問題一直在我的腦海中揮之不去:如果它不是真的量子電腦,為什麼D-Wave以此名號行銷?為了追根究底,我向D-Wave Systems處理器開發副總裁Jeremy Hilton請教了這個問題:「為什麼批評人士一直說你們的產品不是真的量子電腦呢?」

「量子運算的神聖目標在於打造一款『通用』的量子電腦——不僅能夠解決任何運算問題,而且其速度更超越當今最快的超級電腦,」Hilton表示,「這就是為什麼有人說我們並非『真正』開發出量子電腦的理由,因為D-Wave並不是一款『通用的電腦』。」

D-Wave的量子電腦只能解決最佳化的問題,也就是那些能以線性等式表達的問題。這種線性等式中包含了許多變數,每一個變數都各有其加權值(相乘每一變數的倍數數值)。通常,用傳統的「通用電腦」難以解決這種線性等式問題,必須利用多次反覆為變數找到最佳數值組合。然而,利用D-Wave的特定應用量子電腦,可在一個單次週期中解決問題。

「我們認為,以特定應用的量子處理器作為起點,可說是實現通用量子電腦的最佳發展方式——它可望成為邁向神聖目標的利基點,」Hilton說:「而這就是D-Wave正在做的一切——我們正是利用量子位元來最佳化問題。」


D-Wave在矽基板上的的512超導鈮量子位元。
(來源:D-Wave)

D-Wave目前的量子處理器性能達到了512量子位元,能夠在單次機器週期中以512個(或少於512)變數解決最佳化的問題。為了解決基於量子位元的最佳化問題,D-Wave採用一種稱為「絕熱」(adiabatic)的不同運算模式——即不至於發生熱耗損或增益。相形之下,其他研究都致力於開發一款通用的量子電腦,量子位元在量子電腦中以類似傳統電腦的方式進行處理。

「絕熱途徑的目標在於保持量子位元處於最低能量狀態,即最佳化問題的開始與結束階段,」Hilton說:「當變數的加權值輸入量子位元至激勵狀態,旋即迅速地放鬆至最低能量狀態,從而揭露該變數的最佳值。」


D-Wave 可在安裝於超冷卻載台上的每片晶圓上取得100顆量子電腦晶片。
(來源:D-Wave)

目前致力於打造通用量子電腦的研究人員受限於除錯方法,他們利用數千個量子位元,歷經了所有的計算過程後,卻僅能確保量子態的數值疊加維持正確作業。而透過絕熱過程,Hilton宣稱,你就不需要除錯了,因為量子位元會自然地放鬆至最低能量狀態。

「量子位元從激發到放鬆的過程,都不需要進行除錯作業,」Hilton指出,「但採用通用量子電腦的傳統閘極模式,你必須先除錯才能順利進行作業。」

量子電腦發展方向

加拿大Info-Tech Research Group資深經理暨基礎架構分析師Mike Battista表示,「當我與D-Wave洽談時,讓我印象深刻的是他們都十分謙虛,儘管對於自家公司技術感到興奮,卻不至於過度承諾其發展潛力。」

Battista並指出,D-Wave的開創性進展還不只是在量子運算領域,該公司同時也以新的典範累積經驗,例如超導體,它能夠確保摩爾定律的持續進展。


D-Wave處理器開發副總裁 Jeremy Hilton認為,極熱狀態下的512Qb的模組可利用10kW冷卻器使溫度極速冷卻至至0.2 mK。
(來源:D-Wave)

「其超導半導體還擁有執行量子運算以外的其他優勢,例如不至於釋放熱量,」Battista說:「這項技術還具有呈指數級迅速升級的潛力,或許可在傳統電晶體達到實體限制時,持續摩爾定律的下一個新典範。」

那麼,為什麼批評人士指稱這並不是「真正」的量子電腦呢?Battista不僅支持D-Wave的正確發展方向,還詳細地說明理由:「我知道D-Wave的硬體被混合地進行測試,也瞭解為什麼大公司選擇投資另一種方式。但如果有任何一丁點的可能性使其成為下一代基礎技術,足以勾勒未來幾十年的運算發展,那麼這樣的投資也算值得了。一開始先開發演算法並發現可解決量子運算問題的公司,一旦在可行的硬體出現時,他們將會擁有巨大的優勢。」

最新發展

D-Wave的首款設計可追溯到2007年,當時只使用了少數的量子位元(16Qb),而且也無法擴充,不過使用的同樣是目前所用的方式——在矽基板上載入極冷超導鈮量子位元。從那時起,Hilton及其研究人員們已經重新設計出一款可擴展至任意尺寸的架構,利用整合式的可編程磁組記憶體與處理器,取代早期設計所中由於扇出導致無法擴充的分離電極。

D-Ware從2009年首度向Google展示128Qb的新架構後,該公司已持續升級至256Qb,接著是目前的512Qb,將33,000個超導Josephson接面(JJ)電晶體擠進一顆4x7mm的晶圓中。在這樣的晶圓尺寸下,D-Ware可取得100片8吋晶圓。

Hilton表示:「我們的用戶基礎持續擴展,他們正探索需要多少Qb量子位元的甜密點,以及試驗其問題,包括NASA、Google、美國太空研究協會(USRA)與Lockheed Martin,以及能夠透過終端機(例如南加大USC校園電腦)存取至NASA/Google/USRA機器的廣大用戶社群。」

D-Wave並提供自家介面工具,可為其電腦建立「量子機器碼」,但也提供用於MatLab、C++ 和Python的API/編譯器。目前該公司可取得接近98-99%的穩定量子位元率,以及具有可實現自動冗餘與恢復損壞量子位元的模式。

根據里昂證券(CLSA)分析師Ed Maguire Ed表示,研究人員們已經利用D-Wave的量子電腦開發出蛋白質分折、影像檢測、視訊壓縮、情感分析等諸多應用了。Lockheed技術長Ray Johnson則表示,或許它還可以立即告訴你,如何透過衛星網路上執行幾百條軟體程式碼來因應太陽風暴或核爆脈衝——目前像這一類的計算在傳統電腦上可能得花好幾週的時間。

D-Wave預計將在2015年稍晚發佈下一代量子電腦,它將會採用ANSYS的工程模擬軟體,進一步降低磁真空,以避免量子位元故障。D-Wave的新款量子電腦將具備完全可重配置與冗餘能力,以取代「通用」量子電腦的除錯作業。該公司還將致力更多先進的演算法與應用,以期解決現實世界的問題,例如編碼量子位元以模擬神經網路,從而加速拓展至深度學習與類似的人工智慧(AI)等新領域。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Is D-Wave a Quantum Computer?,by R. Colin Johnson)





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