關鍵字：D-Wave 首款量子計算機 C++編程 電子實驗室模塊
最近，我得向一名讀者解釋為什么批評人士指稱D-Wave的“量子計算機”并不是“真正的”量子計算機，他最后可能礙于我在這個領域的“權威”而接受了我的答案。然而，這個問題一直在我的腦海中揮之不去：如果它不是真的量子計算機，為什么D-Wave以此名號營銷？為了追根究底，我向D-Wave Systems處理器開發副總裁Jeremy Hilton請教了這個問題：“為什么批評人士一直說你們的產品不是真的量子計算機呢？”
D-Wave是真正的量子計算機嗎？
“量子運算的神圣目標在于打造一款『通用』的量子計算機——不僅能夠解決任何運算問題，而且其速度更超越當今最快的超級計算機，”Hilton表示，“這就是為什么有人說我們并非『真正』開發出量子計算機的理由，因為D-Wave并不是一款『通用的計算機』。”
D-Wave的量子計算機只能解決優化的問題，也就是那些能以線性等式表達的問題。這種線性等式中包含了許多變數，每一個變量都各有其加權值(相乘每一變量的倍數數值)。通常，用傳統的“通用計算機”難以解決這種線性等式問題，必須利用多次反復為變量找到最佳數值組合。然而，利用D-Wave的特定應用量子計算機，可在一個單次周期中解決問題。
“我們認為，以特定應用的量子處理器作為起點，可說是實現通用量子計算機的最佳發展方式——它可望成為邁向神圣目標的利基點，”Hilton說：“而這就是D-Wave正在做的一切——我們正是利用量子位來優化問題。”
D-Wave在硅基板上的的512超導鈮量子位。（來源：D-Wave）
D-Wave目前的量子處理器性能達到了512量子位，能夠在單次機器周期中以512個(或少于512)變量解決優化的問題。為了解決基于量子位的優化問題，D-Wave采用一種稱為「絕熱」(adiabatic)的不同運算模式——即不至于發生熱耗損或增益。相形之下，其他研究都致力于開發一款通用的量子計算機，量子位在量子計算機中以類似傳統計算機的方式進行處理。
“絕熱途徑的目標在于保持量子位處于最低能量狀態，即優化問題的開始與結束階段，」Hilton說：「當變量的加權值輸入量子位至激勵狀態，旋即迅速地放松至最低能量狀態，從而揭露該變量的最佳值。”
D-Wave 可在安裝于超冷卻載臺上的每片晶圓上取得100顆量子計算機芯片。（來源：D-Wave）
目前致力于打造通用量子計算機的研究人員受限于除錯方法，他們利用數千個量子位，歷經了所有的計算過程后，卻僅能確保量子態的數值迭加維持正確作業。而透過絕熱過程，Hilton宣稱，你就不需要除錯了，因為量子位會自然地放松至最低能量狀態。
“量子位從激發到放松的過程，都不需要進行除錯作業，”Hilton指出，“但采用通用量子計算機的傳統閘極模式，你必須先除錯才能順利進行作業。”
D-Wave可能算不上真正的量子計算機
加拿大Info-Tech Research Group資深經理暨基礎架構分析師Mike Battista表示，“當我與D-Wave洽談時，讓我印象深刻的是他們都十分謙虛，盡管對于自家公司技術感到興奮，卻不至于過度承諾其發展潛力。”
Battista并指出，D-Wave的開創性進展還不只是在量子運算領域，該公司同時也以新的典范累積經驗，例如超導體，它能夠確保摩爾定律的持續進展。
D-Wave處理器開發副總裁 Jeremy Hilton認為，極熱狀態下的512Qb的模塊可利用10kW冷卻器使溫度極速冷卻至至0.2 mK。（來源：D-Wave）
“其超導半導體還擁有執行量子運算以外的其他優勢，例如不至于釋放熱量，”Battista說：“這項技術還具有呈指數級迅速升級的潛力，或許可在傳統晶體管達到實體限制時，持續摩爾定律的下一個新典范。”
那么，為什么批評人士指稱這并不是“真正”的量子計算機呢？Battista不僅支持D-Wave的正確發展方向，還詳細地說明理由：“我知道D-Wave的硬件被混合地進行測試，也了解為什么大公司選擇投資另一種方式。但如果有任何一丁點的可能性使其成為下一代基礎技術，足以勾勒未來幾十年的運算發展，那么這樣的投資也算值得了。一開始先開發算法并發現可解決量子運算問題的公司，一旦在可行的硬件出現時，他們將會擁有巨大的優勢。”
用C++編程的D-Wave還能分析你的情感
D-Wave的首款設計可追溯到2007年，當時只使用了少數的量子位(16Qb)，而且也無法擴充，不過使用的同樣是目前所用的方式——在硅基板上加載極冷超導鈮量子位。從那時起，Hilton及其研究人員們已經重新設計出一款可擴展至任意尺寸的架構，利用整合式的可編程磁組內存與處理器，取代早期設計所中由于扇出導致無法擴充的分離電極。
D-Ware從2009年首度向Google展示128Qb的新架構后，該公司已持續升級至256Qb，接著是目前的512Qb，將33,000個超導Josephson接面(JJ)晶體管擠進一顆4x7mm的晶圓中。在這樣的晶圓尺寸下，D-Ware可取得100片8寸晶圓。
Hilton表示：“我們的用戶基礎持續擴展，他們正探索需要多少Qb量子位的甜密點，以及試驗其問題，包括NASA、Google、美國太空研究協會(USRA)與Lockheed Martin，以及能夠透過終端機(例如南加大USC校園計算機)存取至NASA/Google/USRA機器的廣大用戶社群。”
D-Wave并提供自家接口工具，可為其計算機建立“量子機器碼”，但也提供用于MatLab、C++ 和Python的API/編譯程序。目前該公司可取得接近98-99%的穩定量子比特率，以及具有可實現自動冗余與恢復損壞量子位的模式。
根據里昂證券(CLSA)分析師Ed Maguire Ed表示，研究人員們已經利用D-Wave的量子計算機開發出蛋白質分折、影像檢測、視頻壓縮、情感分析等諸多應用了。Lockheed技術長Ray Johnson則表示，或許它還可以立即告訴你，如何透過衛星網絡上執行幾百條軟件程序代碼來因應太陽風暴或核爆脈沖——目前像這一類的計算在傳統計算機上可能得花好幾周的時間。
D-Wave預計將在2015年稍晚發布下一代量子計算機，它將會采用ANSYS的工程仿真軟件，進一步降低磁真空，以避免量子位故障。D-Wave的新款量子計算機將具備完全可重配置與冗余能力，以取代“通用”量子計算機的除錯作業。該公司還將致力更多先進的算法與應用，以期解決現實世界的問題，例如編碼量子位以仿真神經網絡，從而加速拓展至深度學習與類似的人工智能(AI)等新領域。
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