科技日报:优于现有量子计算机性能 日本量子退火机真有这么牛?
视觉中国本报记者 谢开飞
日前,据」日媒报道,日本国立情报学¤研究所等机构证实,其开发的、采用新计算方式的高速计算机,拥有超◤过现有量子计算机的性能。这台计算机名为“Coherent Ising Machine”,其设计目的是为快速解决组合优化问题。
这台新计算机的性能真能╳超过现有量子计□ 算机吗?为此,科技日报记者采访中国科学院量子信息重点实验室教授韩正甫得知,原来,这台计算机不是传统的量子计算机,而是一种专用量子计算机,又被称为量子退火机,或◣被称为量子模拟机。
“准确地说,这台计算机是日♀本科研人员用光学器件构成●的量子退火机,和加拿大D-Wave公司用超导器件构成的量子退火机放在一起比较,日本的量子退火机在某些指标上相对优越。”韩正甫说。
科技日报2019年07月24日08版
新研高速计算机实为量子退火机
量子计算机是利用量子力学原理进行¤运算的计算机,其被视作计算速度远超现有计算机的“梦幻设备”。“当前,量子计算业界的目标是,打造一款通用的量子计算机:它不仅能解决任何运算问题,其运算速度还能超越当『今最快的超级计算机。”韩正甫介绍道。
实际上,量子计算的概念早在上世纪80年代就已被提出♀,其基础理论也在上世纪90年代和本世纪初得到突破,但真正意义上的通用量子计算机却迟迟没有问世。
“研发通用量子计算机的▓难度非常大,目前仍未】有重大突破。”韩正甫说,所以一部分科学家另辟蹊径,研发技术难度相对较低的专用量子计算机,即量子退火机。
退火的概▼念源于金属加工领域,是指给金属升温,使其温度高于再结晶温度并维持一段时间,再将其≡缓慢冷却。所谓量◥子退火,就是当缓慢地调控量子的微观体系时,量子状态也会随之发生细微的变化,最后趋于能量最低的基态。这与金㊣属退火现象很类似,故相关量子计算机被称为量子退火机。
“这方面的典型代表是加拿大的D-Wave公司,他们基于超导器件,构造出量子退火@机,可以运行一些特定的算法,这些年得到了比较多的关】注。”中国科学院〒量子信息重点实验室副教授涂涛说№。
受到加拿大D-Wave公司成功经验的启发,原美国斯坦福大学教授山本(Y. Yamamoto)回到日本,与日本电信电话株式会社和日@ 本国立情报学研究所的日本同事一╳起研发日本的量子退火机。
“与加拿大D-Wave公司采用超导器件不同,日本的研究组采用了他们熟悉的光学技术。”韩正甫说。
日本山本课题组于2016年在《科学》杂志以《全联通、可编程的100个自旋的Coherent Ising Machine》为题,报道了他们的100个自旋的量∩子退火机。接着近年来不断发表相关◆文章,其量子退火机的♂自旋数目,也从100个增加到5万个。
日前,山本课题组在《科学》子刊《科学进展》杂志以《实验比较Coherent Ising Machine和量子退火机的性能》为题,报道了他们的5万个自旋的Coherent Ising Machine,并与加↘拿大D-Wave公司的2000个自旋的★量子退火机进行比较,指出前者性能在某些指标上更优秀。
计算性能排名学界尚无定论
涂涛表示,量子退火机之所以受到关注,是因为这种计算机能快速求解组合优化问题,而这正是“机器学习”“深度学习”等计算◣处理技术要解决的本质问题。
组合优▲化问题是指,给定一些约束条件,寻找某个〓多变量目标函数的极小值,这个极小值也被称为全局最优解。通常情况下,找到全局最优解非常困难,往往只能找到局部最优解。组合优化问题在现实生活中很≡常见,如货物运输时要寻找最优▓路径、或分配大量人员时寻求最优调度等。
“从计算科学角度来讲,寻找全局最优解的计▲算难度,随着问题规模增大△而提升。”涂涛说,问题规模变大后,组合优化问题就会出现更多々变量,这时目标函数也会变得更复杂,可能会出现大量局部极小值点,使找到全局极小值变得异常困难。
韩正甫告诉记者,一般通用量子计算机难以ξ 解决这种问题,若选择现有电子●计算机求解组合优化问题,则需要花费非常长的时间。然而,利用量子退火机,可在一个单次周期内解决问题,耗时相『对较短。
对于日媒提出的“采用@新计算方式的高速计算机拥有超◤过现有量子计算机的性能”这一说法,天津大学计算机科学与技术系教授曲日表示,在理论上,目前学界还未证明量子计算、经典计算、Coherent Ising machines,哪一个就一定比其他两个更有优势。“只能说,以一般的学术观点来看,日本︼科研人员在Coherent Ising machines量ξ 子计算模型上,针对特定问题,发现了比经典计算机现有算法更优秀的算法,即计算复杂度更小的算法。”曲日说。
量子计算强大仅是理论预测
那么,同样是用量子退火的方式〓,相比加拿♀大D-Wave公司的量子退火机,日本研制出的机器,其性能领先在哪儿?
目前,加拿大D-Wave公司构建量子退火机所利用的超导器件,其可控的量子位数目为2000个。与之相比,日本所用的光学器件,其可控的量子位数◢目已达5万个。由于后者量子位数↘目更大,因而可解决☆更复杂的问题;同时,后者底层器件是光学器件,与加拿大D-Wave公司的超导器件相比,机器无需低温╱环境存放,稳定性高、可控性好。
涂涛告》诉记者,除了量◣子计算机、量子退火机,还有许多被寄予厚望的“后补选手”,它们个个“身手不凡”。
例如,超导磁通器件,其可取代传统的半导体器件来构成超导计算机。它的优势→在于低能耗,有望应用在▃超级计算机等高能耗领域。再如,非线性光学器件,其可取代传统的半导体器件,来构成光计算机。它的优势在于光学模式数较多∏,有望应用于并行计算领╱域。除此之外,还有被誉为√“变形金刚”的拟态计算机,以及以生物形式打造的DNA计算机等。
“在传统计算机的基础上,下一代计算机逐渐向大数据、人工智能、移动互联网、云计算等方向发展↙,这些构成了我们目前计算技术的主流发展●方向,相关技术有的甚至已经应用在日常生活中。”曲日表示,还有一些新的计算方式,目前还处在实验室研究阶段,离人们的现实生活有很长的距离。
迄今为止,世界上还没有真正意『义上的量子计算机,但世界各国科学家正以极大的热情,努力实现这个梦想。
“量子计算机使计算的概念焕然一新,这是量子计算机与其他计算机,如光计算机、生物计算机等的不同之处,其作用远不︽止是解决一些经典计算机无法解决的问题。”韩正ξ 甫表示,“我们说量子计算机计算能力强大,目前还只是从理论上给出的预测。至于量子↓计算机究竟能跑出怎样的成绩,目前〓还不得而知。”
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