在其他公司都在纠结于如何才能设计包含几十个量子比特的量子计算机时,D-Wave 的量子计算机已能使用多达 2000 个计算位,而 D-Wave 也因此得以在当代量子计算市场上占据一席之地。

虽然使用的位数很多,D-Wave 却一直因其计算设备所采用的不同运算方式,以及未经证明的计算能力而饱受争议而就在最近,D-Wave 在《Science》上发表的一篇论文中指出,D-Wave 的计算设备有能力对量子系统进行模拟。

在论文中,D-Wave 的研究人员尝试设计了一个量子系统的弛豫模型,系统的设置与 D-Wave 计算机本身使用的计算位设定类似。这将允许研究人员对该量子系统进行模拟,进而检查量子相变。虽然这并不是目前量子计算机的最佳表现,但这篇论文表明它确实能让研究人员在相关量子系统经历相变时调整系统参数。

2000 个量子比特模拟成功!D-Wave 量子计算机已可用于解决问题-量子客

自旋和自旋玻璃

D-Wave 的量子计算机可以被看成是由许多块可转向的磁铁组成,虽然这与 IBM 和 Intel 开发的量子设备中所使用的量子比特组件不同,但 D-Wave 的量子设备确实是以粒子的量子行为为基础来进行运算的。

在只有一块磁铁的情况下,该磁铁并没有明确的朝向,但若在同一个空间内存在多块磁铁,磁铁与磁铁间便会相互作用,而此时磁铁的转向也将会改变系统所包含的能量。D-Wave 当前的系统可容纳 2048 块这样的磁铁单元,结合相关的控件,使用者可决定哪些与哪些磁铁相互关联,以及关联性的强弱。

通过这种方法模拟出的量子系统与 D-Wave 计算设备本身类似,属于“横向场 Ising 模型(transverse-field Ising model)”。这种模型是一种可转向磁铁的立体排位,若将系统内的磁铁以一种特定的方式排列,使磁铁在移动时会发生转向,进而形成反铁磁体(anti-ferromagnet)。而在无序排列的情况下,系统内的磁铁则会形成“自旋玻璃(spin glass,磁性由粒子自旋产生)”。虽然自旋玻璃是无序的,但它们具有可具体描述的能量,其中也包括系统的低能态。

虽然 D-Wave 系统中的大部分磁位(由磁铁构成的计算位)位于一个平面上,但使用者可以调整它们之间的关联,以便精确地模拟一个三维晶格系统。而在 D-Wave 最新一代的设计中,最适合处理器的晶格系统是一个侧面装有八块磁铁的立方体。

虽然这并不是一项具有开创性的工作,但论文第一作者,D-Wave 科学家 Richard Harris 表示:“虽然一个 8 x 8 x 8 的晶格是上世纪 90 年代最为先进的计算机模型,但对公司而言,这项工作代表着 D-Wave 计算水平的重大进步。”

通过尝试“再解决”已经得到解决的问题,D-Wave 的设备可以在有参照的前提下对系统进行模拟。最终,D-Wave 的模拟结果确实是正确的,它表明系统可以正确设置并模拟一个物理系统,以及从中提取观测结果。Harris 认为,“这清楚地表明了 D-Wave 的设备有能力对描述该模型所需的物理学进行模拟。”

证明这点尤其重要,因为有许多问题都能被映射到横向场 Ising 模型中,这意味着 D-Wave 的设备确实可被用于解决各种各样的问题。

性能问题

当然,D-Wave 的性能问题依然存在。尽管 D-Wave 的设备可使用上千个计算位,但其性能与普通多核计算机不相上下。

但这一问题还有希望解决。 D-Wave 计算机在运算过程中依赖的退火 (annealing) 过程。退火过程会先将设备置于简单的配置中,并使其处于能量基态(energetic ground state),然后再将设备调整至可得出问题答案的配置。如果退火过程进行顺利,系统将会始终保持在能量基态,从而能解决各种涉及到“最小化”的问题。

通过研究“最小化”问题,研究人员可以在有答案的情况下进一步探索退火过程的实质,检查系统在调整组件间的连接时会如何响应,并探索系统在经历相变时会发生什么。Harris 说:“我们想看看系统会如何通过相变过程,进而探寻该过程是否可以优化,以及如果不能优化,问题又出在哪。”

而且,如果 D-Wave 公司能更好地理解其系统中的退火过程,它便能以此发现设计中存在的问题,进而在改进后提升设备的性能。D-Wave 首席执行官,Vern Brownell 表示:“这对下一代 D-Wave 系统的开发来说至关重要。”

D-Wave 当前所面临的挑战是如何能及时完成下一代产品的开发。虽然 D-Wave 使用的计算位数量在业界处于领先地位,但 D-Wave 的量子计算设备的性能仍无法超越经典计算机。目前,IBM 和 Intel 正在开发的量子设备比 D-Wave 使用到的计算位要少得多,但在性能上的提升却十分显著。D-Wave 究竟能否维持其在市场上的领先地位,真正意义上的量子计算机又能何时问世,目前这些问题还没有答案。