日本人研發出了一種新型量子計算機，但性能是不是更優越還不好說

優化問題在科學、工程和商業中普遍存在。許多重要問題(特別是組合問題,如調度、資源分配、路線規劃、或社區檢測)吸引了研究人員不斷尋求更先進的演算法。

日前，日本國立情報學研究所等機構證實，其開發的、採用新計算方式的高速計算機，擁有超過現有量子計算機的性能。

量子退火機是什麼?

這台計算機名為「Coherent Ising Machine」(CIM)，又名量子退火機，是一種專用量子計算機或稱量子模擬機。

現實生活中存在不少組合優化問題：如貨物運輸的最優路徑、分配人員的最優調度等。隨著問題規模變大、變數增加，在這種組合優化問題中尋找全局最優解的難度也快速提升。

現有的電子計算機解決組合優化問題需要花費極長時間，而量子退火機可在一個單次周期內解決問題，耗時相對較短。

比起通用的量子計算機，這種量子退火機技術難度相對較低，可以運行一些特定的演算法。

退火的概念源於金屬加工領域，是指給金屬升溫，使其溫度高於再結晶溫度並維持一段時間，再將其緩慢冷卻。

所謂量子退火，就是當緩慢地調控量子的微觀體系時，量子狀態也會隨之發生細微的變化，最後趨於能量最低的基態。這與金屬退火現象很類似，故相關量子計算機被稱為量子退火機。

性能超過現存量子計算機?

中國科學院量子信息重點實驗室副教授塗濤表示，這一領域的典型代表是加拿大的D-Wave公司。D-Wave構建的量子退火機，其所可控的量子位數目為2000個。

與D-Wave用超導器件構成的量子退火機不同，這台計算機是日本科研人員用光學器件構成的。

2016年，以原美國斯坦福大學教授山本(Y. Yamamoto)、日本電信電話株式會社和日本國立情報學研究所為首的日本課題組就在《科學》雜誌上發表文章，介紹了他們的100個自旋的量子退火機。

今年5月，山本課題組在《科學》子刊《科學進展》雜誌發布了標題為《實驗比較Coherent Ising Machine和量子退火機的性能》的文章，對兩種類型的退火機——D-Wave的2000個自旋的量子退火機和基於光參量振蕩器的50000個自旋的測量-反饋相干伊辛機(簡稱CIMs)進行了比較。比較基於兩個問題類別：Sherrington-Kirkpatrick (SK)模型和MAX-CUT。

D-Wave的量子退火機在三次圖上的MAX-CUT的表現更佳。

不過，研究人員發現，在高連通性(即每個物理組件與其他組件直接交互的能力)的情況下，CIMs的性能優於D-Wave的量子退火機。

例如，CIMs比D-Wave的量子退火機更快地解決了一個更複雜的問題，速度比其快1000萬倍(僅用1.2毫秒，而後者需要耗費的時間約為167分鐘)。

同時，底層器件是光學器件的設計與超導器件相比，機器無需低溫環境存放，穩定性高、可控性好。

兩者的主要區別在於連接性的不同。D-Wave的量子退火機使用量子位元對優化後的問題進行建模，一般來說，這使得只直接連接相鄰的量子位元成為可能，從而限制了整體的連通性。然而，CIMs使用的光脈衝可以來回穿梭，使得任何兩個感興趣的脈衝都可以直接相互作用。

參與這項研究的斯坦福大學博士後研究員彼得?麥克馬洪(Peter McMahon)表示:「連通性非常、非常重要，我們不應該忽視它。」

然而，麥克馬洪指出:「CIMs並不是在每個問題上都比量子退火機更好。」

「事實上，當你在解決一些相互聯繫很少的問題時，速度會慢一些。這在很大程度上是兩台機器各自解決問題的方式造成的(兩台機器仍然在4毫秒內解決了這些問題)。」

不過，他認為，重要的是，更多的連接對專門的優化器來說是一個福音。

他說，關鍵不在於選擇一台CIMs還是一台量子退火機，而在於檢查這些機器內部有多少連接。

「沒有人會抱怨更多的連接。」他說。

同時，對於日媒提出的CIMs性能超過現有量子計算機的說法，天津大學計算機科學與技術系教授曲日表示，在理論上，目前學界還未證明量子計算、經典計算、Coherent Ising machines，哪一個就一定比其他兩個更有優勢。

「只能說，以一般的學術觀點來看，日本科研人員在Coherent Ising machines量子計算模型上，針對特定問題，發現了比經典計算機現有演算法更優秀的演算法，即計算複雜度更小的演算法。」曲日說。

塗濤表示，除了量子計算機、量子退火機，還有使用超導磁通器件的超導計算機、使用非線性光學器件的光計算機、被譽為「變形金剛」的擬態計算機以及以生物形式打造的DNA計算機等。

儘管目前真正的量子計算機似乎還有很長的路要走，但不少人都對此懷有信心。谷歌量子人工智慧實驗室主任哈特穆特·尼文(Hartmut Neven)認為，量子處理器正以驚人的「雙指數速度」趕超傳統普通電腦。

Neven表示：「看起來像是什麼都還沒有發生，然後一瞬間，你突然就進入了一個不同的世界，這就是我們現在正在經歷的事情。」

讓我們拭目以待量子時代的到來。

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