D-Wave量子计算机，到底能不能进行量子计算-科技导报.PDFVIP

科技导报2015，33（24） 专栏 D-WaveD-Wave量子计算机量子计算机，， 到底能不能进行量子计算到底能不能进行量子计算 最近Google宣布在量子计算领域取得了突破性进展，他们 先设定一个起始点，比较起始点附近数据的差别，不断判断选择 用D-Wave量子计算机（图1）在解决某些问题上比传统计算机 “下山”方向，直到到达一个任意方向都无法往下走的最低点，从 过程快了1亿倍。果真这样，它将带来人工智能技术的巨大进 而找到曲面上的一个极小值，或称势能最低点，所以下山算法是 步。不过，有专家对此表示质疑，认为这些说法夸大其词了。那 一种实现数据最优化的方法。 么Google所谓的D-Wave量子计算机，到底能不能做量子计 可是下山算法只能找到局部的最低点，并无法有效地找到 算，这1亿倍的加速又是怎么回事 全局的最低点。当数据非常不平滑的时候，会有很多局域最低 点（如图3），这时要寻找全局的最低点，就非常困难。这是计算 科学中一个有名的难题。 图1 D-Wave量子计算机（图片来源：） 加拿大的D-Wave公司被称为世界第一家量子计算机公 司，推出了第一个商用量子计算机；但D-Wave的机器在学术界 一直存在争议，其所谓更快的计算速度一直受到质疑。 图3 寻找全局最低点 D-Wave量子计算机其实是一个被称之为量子退火炉的专 门设备，它的目标是发展一种快速的“下山算法”。所谓“下山算 法”，打个比方，就是要发现一种办法可以在一片山区找到最低 于是人们又发明了模拟退火算法，这比下山算法有所改进， 的位置；或者说，就是让计算机从一组随机起伏的数据中找到最 但还是不能完全解决这个难题。D-Wave公司采用量子退火技 小值。如果数据组成一个平滑的曲面，那么下山算法就是一种 术解决了上述最优化难题，即使当数据非常不平滑的时候，该方 可以让计算机找出曲面上的最小值的算法工具（如图2）。它要 法也非常奏效。 退火的概念起源于金属加工技术，指将金属加温到某个高 于再结晶温度的一点并维持此温度一段时间，再将其缓慢冷 却。经典模拟退火算法和量子退火算法采用的解决最优化问题 的步骤和思路，与金属的退火确实有着异曲同工的妙处。 和经典退火算法相比，D-Wave量子退火算法有非常大的 加速。要理解这一点，还需要知道神秘的“量子隧穿效应”。这 种效应指的是，微观粒子有一种能力可以穿过不可能穿越的壁 障，出现在壁障的另一端，就如图3中大的蓝色箭头所示，微观粒 子从一个极小值直接穿越到另一个极小值。在我们的现实世界 中，比如玩滑板运动，想要越过某个高坡，你必须加速到一定的 图2 从一组随机起伏的数据中寻找最小值 速度，使你在低点位置的动能大于最高位的势能，才有可能滑过 （箭头表示局域极小值，黑点表示全局极小值） 这个高坡。对于一个量子的微观粒子来说，它不需要那么大的 118 科