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日本开发量子退火机,性能比现有量子计算机还牛?

日前,据日本媒体报道,国家信息科学研究所和其他机构证实,他们开发和采用的新型计算方法的高速计算机比现有的量子计算机具有更多的性能。这台名为“Coherent Ising Machine”的计算机旨在快速解决组合优化问题。

这台新计算机的性能真的可以超过现有的量子计算机吗?为此,“科技日报”记者采访了中国科学院量子信息重点实验室教授韩正轩,得知这台计算机不是传统的量子计算机,而是一种特殊的量子计算机,也称为量子退火机,或称为量子模拟器。

“准确地说,这台计算机是日本研究人员用光学设备组成的量子退火机。与加拿大D-Wave的超导器件组成的量子退火机相比,日本量子退火机在一些指标上。它相对优越。“韩正轩说。

新型高速计算机是量子退火机

量子计算机是使用量子力学来执行计算的计算机。它被认为是比现有计算机快得多的“梦想设备”。 “目前,量子计算行业的目标是创建一个通用的量子计算机:它不仅可以解决任何计算问题,还可以解决超出当今最快的超级计算机的计算速度。”韩正轩说。

事实上,量子计算的概念早在20世纪80年代就被提出,其基本理论也在20世纪90年代和21世纪初被打破,但真正意义上的通用量子计算机尚未发表。

“开发通用量子计算机非常困难。但仍然没有重大突破。”韩正轩表示,一些科学家采取了不同的方法,研制出一种技术难度相对较低的特殊量子计算机,即量子退火机。

退火的概念起源于金属加工领域,其是指将金属加热至高于再结晶温度一段时间的温度,然后缓慢冷却。所谓量子退火,当缓慢调节量子的微观系统时,量子态也会发生微妙的变化,最后倾向于最低能量的基态。这与金属退火现象非常相似,因此相关的量子计算机称为量子退火机。

“典型的代表是加拿大的D-Wave,他建造了一个基于超导设备的量子退火机,可以运行一些特定的算法。这些年来受到了更多的关注。“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成功经验的启发,前斯坦福大学教授Y. Yamamoto回到日本,与国家信息科学研究所的日本电信和日本同事一起开发日本量子退火机。

“与加拿大超级导体D-Wave不同,日本研究团队使用他们熟悉的光学技术。”韩正轩说。

日本的Yamamoto团队在2016年《科学》杂志上报道了他们的100个自旋量子退火机《全联通、可编程的100个自旋的Coherent Ising Machine》。然后,近年来,相关文章不断发表,量子退火机的自旋数也从100增加到50,000。

日前,Yamamoto的小组在《科学》杂志《科学进展》报道了《实验比较Coherent Ising Machine和量子退火机的性能》,报道他们的50,000旋转相干伊辛机,以及加拿大D-Wave的2000自旋量子退火机进行了比较,表明其表现为前者在一些指标上更好。

计算性能的排名仍然没有定论。

涂涛说,量子退火机之所以关注是因为这种计算机可以快速解决组合优化问题,这是“机器学习”和“深度学习”等计算处理技术要解决的基本问题。

找到多变量目标函数的最小值。该最小值也称为全局最优解。通常,很难找到全局最优解,并且通常只能找到局部最优解。组合优化问题在现实生活中很常见,例如在运输货物时找到最佳路径,或在分配大量人员时寻求最佳调度。

“从计算科学的角度来看,找到全局最优解的难度随着问题的规模而增加。”涂涛说,在问题规模变大后,组合优化问题会有更多变量。函数也变得更加复杂,并且可能出现大量局部最小点,使得查找全局最小值变得极其困难。

韩正轩告诉记者,通用量子计算机很难解决这个问题。如果选择现有计算机来解决组合优化问题,则需要很长时间。然而,使用量子退火机,问题可以在相对较短的单个循环中解决。

对于日本媒体声称“具有新计算方法的高速计算机比现有量子计算机具有更高性能”的说法,天津大学计算机科学与技术教授曲日表示,从理论上讲,学术界还没有证明量子计算,经典计算,相干伊辛机,其中一个必须比其他两个更有利。 “从一般的学术角度来看,日本研究人员已经找到了比相干伊辛机器量子计算模型中的经典计算机更好的特定问题算法,即计算复杂度较低的算法。” Qu说。

量子计算的力量只是理论预测

那么,同样是量子退火的使用,相比加拿大的D-Wave的量子退火机,日本的机器开发出来,其性能领先于何?

目前,D-Wave Canada已经为量子退火机制造了一种超导装置,其可控量子弹数为2,000。相比之下,日本使用的光学装置具有可控的量子位数50,000。因为后者具有更多的量子比特,所以它可以解决更复杂的问题。同时,后一种装置是光学装置。与加拿大D-Wave的超导装置相比,该机器不需要存放在低温环境中,并且具有高稳定性。良好的可控性。

涂涛告诉记者,除了量子计算机和量子退火机之外,还有很多“备用球员”非常希望他们“不凡”。

例如,超导通量装置可以代替传统的半导体装置以构成超导计算机。其优势在于其低能耗,预计将应用于高能量领域,如超级计算机。作为另一个例子,可以代替传统半导体器件的非线性光学器件构成光学计算机。其优点在于大量的光学模式,预计将应用于并行计算领域。除此之外,还有称为“变形金刚”的模拟计算机和以生物形式创建的DNA计算机。

“在传统计算机的基础上,下一代计算机正朝着大数据,人工智能,移动互联网,云计算等方向逐步发展。这些构成了我们当前计算技术的主流发展方向,甚至还有一些相关技术。适用于日常生活。钟。“曲日说,还有一些新的计算方法,仍处于实验室研究阶段,与人们的现实生活有很长的距离。

到目前为止,现实世界中还没有量子计算机,但全世界的科学家都在努力以极大的热情实现这一梦想。

“量子计算机使计算成为一个新概念。这是量子计算机与其他计算机(如光学计算机和生物计算机)之间的区别。它的作用不仅仅是解决经典计算机无法解决的问题。”韩正义说:“我们据说量子计算机计算能力强大,它仍然只是一个理论预测。至于量子计算机的结果,它还是未知数。”

(原标题《优于现有量子计算机性能 日本量子退火机真有这么牛?》)