日本開發量子退火機，性能比現有量子計算機還牛？(zt)

據日媒報道，日本國立情報學研究所等機構證實，其開發的、採用新計算方式的高速計算機，擁有超過現有量子計算機的性能。這台計算機名為“Coherent Ising Machine”，其設計目的是為快速解決組合優化問題。

這台新計算機的性能真能超過現有量子計算機嗎？為此，科技日報記者採訪中國科學院量子信息重點實驗室教授韓正甫得知，原來，這台計算機不是傳統的量子計算機，而是一種專用量子計算機，又被稱為量子退火機，或被稱為量子模擬機。

“準確地說，這台計算機是日本科研人員用光學器件構成的量子退火機，和加拿大D-Wave公司用超導器件構成的量子退火機放在一起比較，日本的量子退火機在某些指標上相對優越。”韓正甫說。

新研高速計算機實為量子退火機

量子計算機是利用量子力學原理進行運算的計算機，其被視作計算速度遠超現有計算機的“夢幻設備”。“當前，量子計算業界的目標是，打造一款通用的量子計算機：它不僅能解決任何運算問題，其運算速度還能超越當今最快的超級計算機。”韓正甫介紹道。

實際上，量子計算的概念早在上世紀80年代就已被提出，其基礎理論也在上世紀90年代和本世紀初得到突破，但真正意義上的通用量子計算機卻遲遲沒有問世。

“研發通用量子計算機的難度非常大，目前仍未有重大突破。”韓正甫說，所以一部分科學家另闢蹊徑，研發技術難度相對較低的專用量子計算機，即量子退火機。

退火的概念源於金屬加工領域，是指給金屬升溫，使其溫度高於再結晶溫度並維持一段時間，再將其緩慢冷卻。所謂量子退火，就是當緩慢地調控量子的微觀體系時，量子狀態也會隨之發生細微的變化，最後趨於能量最低的基態。這與金屬退火現象很類似，故相關量子計算機被稱為量子退火機。

“這方面的典型代表是加拿大的D-Wave公司，他們基於超導器件，構造出量子退火機，可以運行一些特定的算法，這些年得到了比較多的關注。”中國科學院量子信息重點實驗室副教授塗濤說。

受到加拿大D-Wave公司成功經驗的啟發，原美國斯坦福大學教授山本（Y. Yamamoto）回到日本，與日本電信電話株式會社和日本國立情報學研究所的日本同事一起研發日本的量子退火機。

“與加拿大D-Wave公司採用超導器件不同，日本的研究組採用了他們熟悉的光學技術。”韓正甫說。

日本山本課題組於2016年在《科學》雜誌以《全聯通、可編程的100個自旋的Coherent Ising Machine》為題，報道了他們的100個自旋的量子退火機。接着近年來不斷發表相關文章，其量子退火機的自旋數目，也從100個增加到5萬個。

日前，山本課題組在《科學》子刊《科學進展》雜誌以《實驗比較Coherent Ising Machine和量子退火機的性能》為題，報道了他們的5萬個自旋的Coherent Ising Machine，並與加拿大D-Wave公司的2000個自旋的量子退火機進行比較，指出前者性能在某些指標上更優秀。

計算性能排名學界尚無定論

塗濤表示，量子退火機之所以受到關注，是因為這種計算機能快速求解組合優化問題，而這正是“機器學習”“深度學習”等計算處理技術要解決的本質問題。

組合優化問題是指，給定一些約束條件，尋找某個多變量目標函數的極小值，這個極小值也被稱為全局最優解。通常情況下，找到全局最優解非常困難，往往只能找到局部最優解。組合優化問題在現實生活中很常見，如貨物運輸時要尋找最優路徑、或分配大量人員時尋求最優調度等。

“從計算科學角度來講，尋找全局最優解的計算難度，隨着問題規模增大而提升。”塗濤說，問題規模變大後，組合優化問題就會出現更多變量，這時目標函數也會變得更複雜，可能會出現大量局部極小值點，使找到全局極小值變得異常困難。

韓正甫告訴記者，一般通用量子計算機難以解決這種問題，若選擇現有電子計算機求解組合優化問題，則需要花費非常長的時間。然而，利用量子退火機，可在一個單次周期內解決問題，耗時相對較短。

對於日媒提出的“採用新計算方式的高速計算機擁有超過現有量子計算機的性能”這一說法，天津大學計算機科學與技術系教授曲日表示，在理論上，目前學界還未證明量子計算、經典計算、Coherent Ising machines，哪一個就一定比其他兩個更有優勢。“只能說，以一般的學術觀點來看，日本科研人員在Coherent Ising machines量子計算模型上，針對特定問題，發現了比經典計算機現有算法更優秀的算法，即計算複雜度更小的算法。”曲日說。

量子計算強大僅是理論預測

那麼，同樣是用量子退火的方式，相比加拿大D-Wave公司的量子退火機，日本研製出的機器，其性能領先在哪兒？

目前，加拿大D-Wave公司構建量子退火機所利用的超導器件，其可控的量子位數目為2000個。與之相比，日本所用的光學器件，其可控的量子位數目已達5萬個。由於後者量子位數目更大，因而可解決更複雜的問題；同時，後者底層器件是光學器件，與加拿大D-Wave公司的超導器件相比，機器無需低溫環境存放，穩定性高、可控性好。

塗濤告訴記者，除了量子計算機、量子退火機，還有許多被寄予厚望的“後補選手”，它們個個“身手不凡”。

例如，超導磁通器件，其可取代傳統的半導體器件來構成超導計算機。它的優勢在於低能耗，有望應用在超級計算機等高能耗領域。再如，非線性光學器件，其可取代傳統的半導體器件，來構成光計算機。它的優勢在於光學模式數較多，有望應用於並行計算領域。除此之外，還有被譽為“變形金剛”的擬態計算機，以及以生物形式打造的DNA計算機等。

“在傳統計算機的基礎上，下一代計算機逐漸向大數據、人工智能、移動互聯網、雲計算等方向發展，這些構成了我們目前計算技術的主流發展方向，相關技術有的甚至已經應用在日常生活中。”曲日表示，還有一些新的計算方式，目前還處在實驗室研究階段，離人們的現實生活有很長的距離。

迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機，但世界各國科學家正以極大的熱情，努力實現這個夢想。

“量子計算機使計算的概念煥然一新，這是量子計算機與其他計算機，如光計算機、生物計算機等的不同之處，其作用遠不止是解決一些經典計算機無法解決的問題。”韓正甫表示，“我們說量子計算機計算能力強大，目前還只是從理論上給出的預測。至於量子計算機究竟能跑出怎樣的成績，目前還不得而知。”