量子計(jì)算機(jī)速度竟不如傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)？

一直以來，量子計(jì)算機(jī)作為一種全新的、革命性計(jì)算機(jī)吸引了業(yè)內(nèi)眾多專家的關(guān)注。自從加拿大D-波公司推出了第一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)后，圍繞該機(jī)器的爭(zhēng)議就沒斷過。最近，美國(guó)南加州大學(xué)洛杉磯分校和蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)研究人員合作，對(duì)放在南加州大學(xué)的一臺(tái)108量子比特的計(jì)算機(jī)進(jìn)行了檢驗(yàn)，卻發(fā)現(xiàn)它的速度并不比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快。相關(guān)論文發(fā)表在最近的《自然·物理學(xué)》雜志上。

該機(jī)器的名字也叫“D-波”(D-Wave)，D-波公司宣稱這是一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，不管它是否真的利用量子效應(yīng)來運(yùn)行，都是業(yè)內(nèi)專家們爭(zhēng)論的主題。該公司把它賣給了一些著名用戶，這也激起了科學(xué)團(tuán)體、網(wǎng)絡(luò)博客和新聞?dòng)浾叩膹V泛興趣。比如最早的機(jī)器在2011年賣給了美國(guó)軍火制造商洛克希德·馬丁公司，交給了南加州大學(xué)洛杉磯分校進(jìn)行測(cè)試。去年，谷歌公司購(gòu)買了第二臺(tái)機(jī)器。由于“D-波”能通過搜索發(fā)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的最低能態(tài)，解決關(guān)于最優(yōu)化方案的數(shù)學(xué)問題，這正是公司對(duì)它感興趣的原因。

只是模擬設(shè)備

在“D-波”中是用一個(gè)個(gè)超導(dǎo)線路來模擬量子或原子自旋，系統(tǒng)必須冷卻到接近絕對(duì)零度。自旋有“上”自旋、“下”自旋和“上下疊加”自旋。在“D-波”線路中，用電流方向來模擬自旋。

“D-波”是否真的在用量子效應(yīng)運(yùn)行?這還不是問題的全部，準(zhǔn)確地說，它能不能被稱為計(jì)算機(jī)都受到質(zhì)疑。還有人提出，它的計(jì)算速度是否比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快?為了回答這些問題，蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)理論物理學(xué)院教授馬提亞·特羅亞和南加州大學(xué)洛杉磯分校的同事一起，對(duì)那里的量子系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。

經(jīng)過測(cè)試，研究小組得出的結(jié)論是不能一概而論：一方面，他們證明了“D-波”確實(shí)是利用量子效應(yīng)運(yùn)行的;而另一方面，研究人員也說：“‘D-波’只是一個(gè)模擬設(shè)備，一臺(tái)用于解決最優(yōu)化問題的樣機(jī)。對(duì)它更準(zhǔn)確的描述是，一臺(tái)可編程的量子模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)。”特羅亞教授說：“毫無疑問‘D-波’不是一臺(tái)通用量子計(jì)算機(jī)。”

量子效應(yīng)持續(xù)極短

為了對(duì)“D-波”進(jìn)行測(cè)試，研究人員寫了數(shù)千個(gè)復(fù)雜性不等的問題，把每個(gè)問題在三個(gè)系統(tǒng)上各運(yùn)行了一千次。一個(gè)系統(tǒng)是“D-波”，另兩個(gè)是在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的最優(yōu)化問題模擬程序：一個(gè)考慮量子效應(yīng)，另一個(gè)不考慮。對(duì)于每個(gè)任務(wù)，研究人員記錄下各系統(tǒng)給出正確答案的頻率。結(jié)果“D-波”的表現(xiàn)和考慮了量子效應(yīng)的模擬程序相同，而有別于沒考慮量子效應(yīng)的模擬程序。

面對(duì)這樣的結(jié)果，研究人員也感到吃驚，因?yàn)?ldquo;D-波”的量子相干持續(xù)時(shí)間極為短暫，只有幾十億分之一秒，而通常要解決一個(gè)最優(yōu)化問題需要的時(shí)間是這一時(shí)間的500倍。大部分專家認(rèn)為，“D-波”的量子效應(yīng)簡(jiǎn)直不能發(fā)揮任何作用。不過特羅亞解釋說，“讓量子效應(yīng)在所有時(shí)間都保持相干也是沒有必要的”。

速度不比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快

人們?cè)诳紤]建造量子計(jì)算機(jī)時(shí)，一個(gè)主要原因就是它將來可能大大提高計(jì)算速度，因此研究的另一個(gè)結(jié)論尤為重要：“D-波”的速度并不比一臺(tái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快。

“D-波”的速度是業(yè)內(nèi)專家們熱議的主題。尤其是在去年5月，美國(guó)阿默斯特學(xué)院一位計(jì)算機(jī)專家發(fā)表了一篇質(zhì)疑文章之后。該文章稱，按照計(jì)算“D-波”應(yīng)該比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度快幾千倍。研究人員還檢驗(yàn)了一臺(tái)新版的“D-波”，跟剛推出一年的512量子比特版的“D-波”差不多，把結(jié)果和南加州大學(xué)的108量子比特的“D-波”進(jìn)行了比較。

特羅亞說：“結(jié)果證明，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不僅比108量子比特的‘D-波’快，還能解決512量子比特‘D-波’所能解決的問題，這個(gè)512量子比特的新版被認(rèn)為性能更強(qiáng)。”他們把這些結(jié)果和阿默斯特學(xué)院的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，更清晰顯示“D-波”在測(cè)試中一貫地比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)慢。

特羅亞還指出，阿默斯特學(xué)院的研究還有個(gè)問題，它把“D-波”的快算法和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的慢算法進(jìn)行了對(duì)比。“我們?yōu)閭鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)開發(fā)出了最優(yōu)化算法，這讓它們能媲美目前的512量子比特的‘D-波’。人們現(xiàn)在還不知道，將來更多量子比特的像‘D-波’這樣的量子系統(tǒng)，是否真的比傳統(tǒng)計(jì)算系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)。這個(gè)問題很重要，最近我們正在用512量子比特的機(jī)器來實(shí)驗(yàn)，以找到答案。”