謝開(kāi)飛

日前，據(jù)日媒報(bào)道，日本國(guó)立情報(bào)學(xué)研究所等機(jī)構(gòu)證實(shí)，其開(kāi)發(fā)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，筆者采訪中國(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?！表n正甫說(shuō)。

新研高速計(jì)算機(jī)實(shí)為量子退火機(jī)

“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?！敝袊?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)?！表n正甫說(shuō)。

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?！蓖繚f(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。

韓正甫告訴筆者，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)?！爸荒苷f(shuō)，以一般的學(xué)術(shù)觀點(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?！鼻照f(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。

“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?！表n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?！?/p>