新計(jì)算機(jī)的性能真能超過(guò)現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)嗎? 日本量子退火機(jī)真有這么牛?

日前，這臺(tái)計(jì)算機(jī)名為“Coherent Ising Machine”，其設(shè)計(jì)目的是為快速解決組合優(yōu)化問(wèn)題。這臺(tái)新計(jì)算機(jī)的性能真能超過(guò)現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)嗎?為此，科技日?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授韓正甫得知，原來(lái)，這臺(tái)計(jì)算機(jī)不是傳統(tǒng)的量子計(jì)算機(jī)，而是一種專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)，又被稱(chēng)為量子退火機(jī)，或被稱(chēng)為量子模擬機(jī)。

“準(zhǔn)確地說(shuō)，這臺(tái)計(jì)算機(jī)是日本科研人員用光學(xué)器件構(gòu)成的量子退火機(jī)，和加拿大D-Wave公司用超導(dǎo)器件構(gòu)成的量子退火機(jī)放在一起比較，日本的量子退火機(jī)在某些指標(biāo)上相對(duì)優(yōu)越。”韓正甫說(shuō)。

新研高速計(jì)算機(jī)實(shí)為量子退火機(jī)

量子計(jì)算機(jī)是利用量子力學(xué)原理進(jìn)行運(yùn)算的計(jì)算機(jī)，其被視作計(jì)算速度遠(yuǎn)超現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的“夢(mèng)幻設(shè)備”。“當(dāng)前，量子計(jì)算業(yè)界的目標(biāo)是，打造一款通用的量子計(jì)算機(jī)：它不僅能解決任何運(yùn)算問(wèn)題，其運(yùn)算速度還能超越當(dāng)今最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。”韓正甫介紹道。

實(shí)際上，量子計(jì)算的概念早在上世紀(jì)80年代就已被提出，其基礎(chǔ)理論也在上世紀(jì)90年代和本世紀(jì)初得到突破，但真正意義上的通用量子計(jì)算機(jī)卻遲遲沒(méi)有問(wèn)世。

“研發(fā)通用量子計(jì)算機(jī)的難度非常大，目前仍未有重大突破。”韓正甫說(shuō)，所以一部分科學(xué)家另辟蹊徑，研發(fā)技術(shù)難度相對(duì)較低的專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)，即量子退火機(jī)。

退火的概念源于金屬加工領(lǐng)域，是指給金屬升溫，使其溫度高于再結(jié)晶溫度并維持一段時(shí)間，再將其緩慢冷卻。所謂量子退火，就是當(dāng)緩慢地調(diào)控量子的微觀(guān)體系時(shí)，量子狀態(tài)也會(huì)隨之發(fā)生細(xì)微的變化，最后趨于能量最低的基態(tài)。這與金屬退火現(xiàn)象很類(lèi)似，故相關(guān)量子計(jì)算機(jī)被稱(chēng)為量子退火機(jī)。

“這方面的典型代表是加拿大的D-Wave公司，他們基于超導(dǎo)器件，構(gòu)造出量子退火機(jī)，可以運(yùn)行一些特定的算法，這些年得到了比較多的關(guān)注。”中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授涂濤說(shuō)。

受到加拿大D-Wave公司成功經(jīng)驗(yàn)的啟發(fā)，原美國(guó)斯坦福大學(xué)教授山本(Y。 Yamamoto)回到日本，與日本電信電話(huà)株式會(huì)社和日本國(guó)立情報(bào)學(xué)研究所的日本同事一起研發(fā)日本的量子退火機(jī)。

“與加拿大D-Wave公司采用超導(dǎo)器件不同，日本的研究組采用了他們熟悉的光學(xué)技術(shù)。”韓正甫說(shuō)。

日本山本課題組于2016年在《科學(xué)》雜志以《全聯(lián)通、可編程的100個(gè)自旋的Coherent Ising Machine》為題，報(bào)道了他們的100個(gè)自旋的量子退火機(jī)。接著近年來(lái)不斷發(fā)表相關(guān)文章，其量子退火機(jī)的自旋數(shù)目，也從100個(gè)增加到5萬(wàn)個(gè)。

日前，山本課題組在《科學(xué)》子刊《科學(xué)進(jìn)展》雜志以《實(shí)驗(yàn)比較Coherent Ising Machine和量子退火機(jī)的性能》為題，報(bào)道了他們的5萬(wàn)個(gè)自旋的Coherent Ising Machine，并與加拿大D-Wave公司的2000個(gè)自旋的量子退火機(jī)進(jìn)行比較，指出前者性能在某些指標(biāo)上更優(yōu)秀。

計(jì)算性能排名學(xué)界尚無(wú)定論

涂濤表示，量子退火機(jī)之所以受到關(guān)注，是因?yàn)檫@種計(jì)算機(jī)能快速求解組合優(yōu)化問(wèn)題，而這正是“機(jī)器學(xué)習(xí)”“深度學(xué)習(xí)”等計(jì)算處理技術(shù)要解決的本質(zhì)問(wèn)題。

組合優(yōu)化問(wèn)題是指，給定一些約束條件，尋找某個(gè)多變量目標(biāo)函數(shù)的極小值，這個(gè)極小值也被稱(chēng)為全局最優(yōu)解。通常情況下，找到全局最優(yōu)解非常困難，往往只能找到局部最優(yōu)解。組合優(yōu)化問(wèn)題在現(xiàn)實(shí)生活中很常見(jiàn)，如貨物運(yùn)輸時(shí)要尋找最優(yōu)路徑、或分配大量人員時(shí)尋求最優(yōu)調(diào)度等。

“從計(jì)算科學(xué)角度來(lái)講，尋找全局最優(yōu)解的計(jì)算難度，隨著問(wèn)題規(guī)模增大而提升。”涂濤說(shuō)，問(wèn)題規(guī)模變大后，組合優(yōu)化問(wèn)題就會(huì)出現(xiàn)更多變量，這時(shí)目標(biāo)函數(shù)也會(huì)變得更復(fù)雜，可能會(huì)出現(xiàn)大量局部極小值點(diǎn)，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(jì)算機(jī)難以解決這種問(wèn)題，若選擇現(xiàn)有電子計(jì)算機(jī)求解組合優(yōu)化問(wèn)題，則需要花費(fèi)非常長(zhǎng)的時(shí)間。然而，利用量子退火機(jī)，可在一個(gè)單次周期內(nèi)解決問(wèn)題，耗時(shí)相對(duì)較短。

對(duì)于日媒提出的“采用新計(jì)算方式的高速計(jì)算機(jī)擁有超過(guò)現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)的性能”這一說(shuō)法，天津大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系教授曲日表示，在理論上，目前學(xué)界還未證明量子計(jì)算、經(jīng)典計(jì)算、Coherent Ising machines，哪一個(gè)就一定比其他兩個(gè)更有優(yōu)勢(shì)。“只能說(shuō)，以一般的學(xué)術(shù)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，日本科研人員在Coherent Ising machines量子計(jì)算模型上，針對(duì)特定問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)了比經(jīng)典計(jì)算機(jī)現(xiàn)有算法更優(yōu)秀的算法，即計(jì)算復(fù)雜度更小的算法。”曲日說(shuō)。

量子計(jì)算強(qiáng)大僅是理論預(yù)測(cè)

那么，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(jī)，日本研制出的機(jī)器，其性能領(lǐng)先在哪兒?

目前，加拿大D-Wave公司構(gòu)建量子退火機(jī)所利用的超導(dǎo)器件，其可控的量子位數(shù)目為2000個(gè)。與之相比，日本所用的光學(xué)器件，其可控的量子位數(shù)目已達(dá)5萬(wàn)個(gè)。由于后者量子位數(shù)目更大，因而可解決更復(fù)雜的問(wèn)題;同時(shí)，后者底層器件是光學(xué)器件，與加拿大D-Wave公司的超導(dǎo)器件相比，機(jī)器無(wú)需低溫環(huán)境存放，穩(wěn)定性高、可控性好。

涂濤告訴記者，除了量子計(jì)算機(jī)、量子退火機(jī)，還有許多被寄予厚望的“后補(bǔ)選手”，它們個(gè)個(gè)“身手不凡”。

例如，超導(dǎo)磁通器件，其可取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件來(lái)構(gòu)成超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。它的優(yōu)勢(shì)在于低能耗，有望應(yīng)用在超級(jí)計(jì)算機(jī)等高能耗領(lǐng)域。再如，非線(xiàn)性光學(xué)器件，其可取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件，來(lái)構(gòu)成光計(jì)算機(jī)。它的優(yōu)勢(shì)在于光學(xué)模式數(shù)較多，有望應(yīng)用于并行計(jì)算領(lǐng)域。除此之外，還有被譽(yù)為“變形金剛”的擬態(tài)計(jì)算機(jī)，以及以生物形式打造的DNA計(jì)算機(jī)等。

“在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，下一代計(jì)算機(jī)逐漸向大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等方向發(fā)展，這些構(gòu)成了我們目前計(jì)算技術(shù)的主流發(fā)展方向，相關(guān)技術(shù)有的甚至已經(jīng)應(yīng)用在日常生活中。”曲日表示，還有一些新的計(jì)算方式，目前還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，離人們的現(xiàn)實(shí)生活有很長(zhǎng)的距離。

“量子計(jì)算機(jī)使計(jì)算的概念煥然一新，這是量子計(jì)算機(jī)與其他計(jì)算機(jī)，如光計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)等的不同之處，其作用遠(yuǎn)不止是解決一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題。”韓正甫表示，“我們說(shuō)量子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力強(qiáng)大，目前還只是從理論上給出的預(yù)測(cè)。至于量子計(jì)算機(jī)究竟能跑出怎樣的成績(jī)，目前還不得而知。”

迄今為止，世界上還沒(méi)有真正意義上的量子計(jì)算機(jī)，但世界各國(guó)科學(xué)家正以極大的熱情，努力實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想。