近日，據(jù)日本媒體報道，日本國家信息科學(xué)研究所等機(jī)構(gòu)證實，他們采用新計算方法開發(fā)的高速計算機(jī)的性能超過了現(xiàn)有的量子計算機(jī)。該計算機(jī)名為CoherentIsingMachine，旨在快速解決組合優(yōu)化問題。

這臺新計算機(jī)的性能真的能超越現(xiàn)有的量子計算機(jī)嗎？為此，科技日報記者采訪了中科院量子信息重點實驗室韓正富教授，了解到這臺計算機(jī)并不是傳統(tǒng)的量子計算機(jī)，而是一種特殊的量子計算機(jī)。計算機(jī)，又稱量子退火機(jī)、或量子模擬器。

準(zhǔn)確來說，這臺計算機(jī)是日本研究人員利用光學(xué)器件打造的量子退火機(jī)。與加拿大D-Wave公司采用超導(dǎo)器件建造的量子退火機(jī)相比，日本量子退火機(jī)在某些指標(biāo)上有所遜色。相對優(yōu)越。韓正富說道。

新研制的高速計算機(jī)實際上是量子退火機(jī)

量子計算機(jī)是利用量子力學(xué)原理進(jìn)行計算的計算機(jī)。它被認(rèn)為是一種夢想設(shè)備，其計算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于現(xiàn)有計算機(jī)。目前，量子計算行業(yè)的目標(biāo)是打造一臺通用量子計算機(jī)：一種不僅可以解決任何計算問題，而且計算速度超過當(dāng)今最快超級計算機(jī)的計算機(jī)。韓正富介紹。

事實上，量子計算的概念早在20世紀(jì)80年代就被提出，其基礎(chǔ)理論也在20世紀(jì)90年代和本世紀(jì)初取得了突破。然而，真正通用的量子計算機(jī)尚未發(fā)布。

研制通用量子計算機(jī)難度很大，目前還沒有重大突破。韓正富表示，所以有科學(xué)家另辟蹊徑，研制出了一種技術(shù)難度相對較低的專用量子計算機(jī)，即量子退火機(jī)。

退火的概念源于金屬加工領(lǐng)域。是指將金屬加熱到高于再結(jié)晶溫度并保持一段時間，然后緩慢冷卻。所謂量子退火，是指當(dāng)量子微觀系統(tǒng)被緩慢控制時，量子態(tài)也會發(fā)生微妙的變化，最終趨向于能量最低的基態(tài)。這與金屬退火現(xiàn)象非常相似，因此相關(guān)的量子計算機(jī)被稱為量子退火機(jī)。

這方面的典型代表是加拿大公司D-Wave。他們構(gòu)建了一個基于超導(dǎo)設(shè)備的量子退火機(jī)，可以運行一些特定的算法。近年來它受到更多關(guān)注。中國科學(xué)院量子信息重點實驗室副教授屠濤表示。

受加拿大D-Wave公司成功經(jīng)驗的啟發(fā)，原美國斯坦福大學(xué)教授Y. Yamamoto回到日本，與日本電報電話公司、國立情報科學(xué)研究所的日本同事共同開發(fā)日本的量子退火機(jī)。

與使用超導(dǎo)器件的加拿大公司D-Wave 不同，日本研究小組使用了他們熟悉的光學(xué)技術(shù)。韓正富說道。

日本山本研究小組于2016年在期刊《科學(xué)》上報道了他們的100自旋量子退火機(jī)。隨后，近年來相關(guān)文章不斷發(fā)表，其量子退火機(jī)的自旋數(shù)量也從100增加到50,000。

近日，山本研究組在《全聯(lián)通、可編程的100個自旋的CoherentIsingMachine》子刊《科學(xué)》雜志上報道了他們的50,000自旋CoherentIsingMachine，并與加拿大D-Wave公司的2,000自旋量子退火機(jī)合作。比較指出前者在某些指標(biāo)上表現(xiàn)更好。

關(guān)于計算性能排名目前還沒有定論。

屠濤表示，量子退火機(jī)之所以受到關(guān)注，是因為這種計算機(jī)能夠快速解決組合優(yōu)化問題，而這正是機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等計算處理技術(shù)需要解決的本質(zhì)問題。

組合優(yōu)化問題是指在給定一些約束的情況下尋找多變量目標(biāo)函數(shù)的最小值。這個最小值也稱為全局最優(yōu)解。通常，尋找全局最優(yōu)解是非常困難的，往往只能找到局部最優(yōu)解。組合優(yōu)化問題在現(xiàn)實生活中非常常見，例如在運輸貨物時尋找最優(yōu)路徑，或者在分配大量人員時尋求最優(yōu)調(diào)度。

從計算科學(xué)的角度來看，尋找全局最優(yōu)解的計算難度隨著問題規(guī)模的增加而增加。屠濤表示，當(dāng)問題規(guī)模變大時，組合優(yōu)化問題中會出現(xiàn)更多的變量。此時目標(biāo)函數(shù)也會變得更加復(fù)雜，可能會出現(xiàn)大量的局部極小值點，使得尋找全局極小值變得異常。困難。

韓正富告訴記者，通用量子計算機(jī)很難解決這類問題。如果用現(xiàn)有的電子計算機(jī)來解決組合優(yōu)化問題，將需要很長的時間。然而，使用量子退火器，這個問題可以在一個周期內(nèi)解決，花費的時間相對較少。

對于日本媒體聲稱采用新計算方法的高速計算機(jī)比現(xiàn)有量子計算機(jī)性能更好，天津大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系教授曲日表示，理論上，學(xué)術(shù)界還沒有事實證明，量子計算和經(jīng)典計算、CoherentIsingmachines，哪一個一定比另外兩個更有優(yōu)勢。只能說，從一般學(xué)術(shù)角度來看，日本研究人員在CoherentIsingmachines量子計算模型上發(fā)現(xiàn)了針對特定問題優(yōu)于經(jīng)典計算機(jī)現(xiàn)有算法的算法，即計算復(fù)雜度更低的算法。庫里說道。

量子計算的力量只是理論上的預(yù)測

那么，采用同樣的量子退火方式，相比加拿大D-Wave公司研發(fā)的量子退火機(jī)，日本研發(fā)的機(jī)器性能優(yōu)勢在哪里呢？

目前，加拿大D-Wave公司用于構(gòu)建量子退火機(jī)的超導(dǎo)裝置的可控量子比特數(shù)為2000個。相比之下，日本使用的光學(xué)器件中的可控量子比特數(shù)量已達(dá)到5萬個。由于后者具有更多的量子比特數(shù)，因此可以解決更復(fù)雜的問題；同時，后者的底層器件是光學(xué)器件。與加拿大D-Wave公司的超導(dǎo)裝置相比，該機(jī)無需在低溫環(huán)境下保存，穩(wěn)定性高，可控性好。

涂濤告訴記者，除了量子計算機(jī)、量子退火機(jī)之外，還有很多被寄予厚望的后備選手，而且他們都擁有非凡的技術(shù)。

例如，超導(dǎo)磁通器件可以替代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件形成超導(dǎo)計算機(jī)。其優(yōu)點在于能耗低，有望應(yīng)用于超級計算機(jī)等高能耗領(lǐng)域。另一個例子是非線性光學(xué)器件，它可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體器件形成光計算機(jī)。其優(yōu)點是具有大量的光學(xué)模式，有望應(yīng)用于并行計算領(lǐng)域。此外，還有被稱為變形金剛的模仿計算機(jī)，以及以生物形式構(gòu)建的DNA計算機(jī)。

下一代計算機(jī)在傳統(tǒng)計算機(jī)的基礎(chǔ)上，正逐步向大數(shù)據(jù)、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算等方向發(fā)展，這些構(gòu)成了我們當(dāng)前計算技術(shù)的主流發(fā)展方向。一些相關(guān)技術(shù)甚至已經(jīng)應(yīng)用到日常生活中。曲日表示，還有一些新的計算方法，目前還處于實驗室研究階段，距離人們的現(xiàn)實生活還很遠(yuǎn)。

迄今為止，世界上還沒有真正的量子計算機(jī)，但世界各地的科學(xué)家正以極大的熱情為實現(xiàn)這一夢想而努力。

量子計算機(jī)給計算概念帶來了新的面貌。這就是量子計算機(jī)和其他計算機(jī)，比如光學(xué)計算機(jī)、生物計算機(jī)等的區(qū)別，它們的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止解決一些經(jīng)典計算機(jī)無法解決的問題。韓正富表示，我們說量子計算機(jī)具有強(qiáng)大的計算能力，但目前還只是理論上的預(yù)測。至于量子計算機(jī)能達(dá)到什么樣的結(jié)果，目前還是一個未知數(shù)。