月度归档:2013年07月

量子计算机未来或将广泛应用于人工智能领域

7月29日,最新研究成果显示,量子计算机未来或将广泛应用于人工智能领域。

 

据美国《自然》杂志7月26日报道,最新研究成果显示,量子计算机的发展将不再局限于如何提高解密或搜索的速度,它还将为人工智能领域带来深远影响。

 

这种量子人工智能技术可以显著提高网络图像识别、图片对比、甚至是无人驾驶汽车方面的研究进度。

 

此前曾有报道称,谷歌公司今年已经在该领域投入了大量的研发资源。

 

报道称,截至目前,量子计算机的算法通常集中在如何打破加密密钥,以及量子搜索领域,但并没有涉及人工智能领域。但本月最新发布的研究报告显示,麻省理工学院的Seth Lloyd教授以及他的合作者已经开始了量子人工智能方向的研究。

 

维也纳大学从事量子计算的研究人员Stefanie Barz表示:“量子计算机如此之多的新方向非常有趣。此前量子计算机研究主要集中在因子分解和量子搜索方面。” 她的研究小组使用了一个简单的含有两个量子比特的量子计算机,来解决个高中水平的数学问题。

 

此外报道还称,位于中国合肥市的中国科技大学的潘建伟教授,同样在使用四个量子比特的计算机解决类似的问题。

颠覆常规理念:有关量子计算的9大事实

美国科技资讯网站SAI周三刊登长篇文章,以通俗易懂的语言介绍了有关量子计算学科的9个事实。量子计算机并不是用来浏览互联网、收发邮件,也不是用来运行常规软件。相反,量子计算机的基础为量子力学。量子力学为物理学的一个分支,该学科创立时间已有100年左右,并对人们的传统看法发起挑战。量子物理学研究对象为很小的事物,如电子和光子等,并试图解决人们此前没能解决的问题。

如果你声称量子计算机简直就是以魔法方式运行,这种说法也没有多少夸张之处。在我们面对这些很小的物体时(试想一下,比单个原子还小),科幻小说中描写的时间旅行、瞬间移动(teleportation)等奇特现象也只能说是司空见惯。传统意义上的物理学“规则”在这儿不适用。这无疑就可开启一些令人心动的可能性,尤其在数学分支优化学科领域就更是如此。顾名思义,优化就是要从一大堆潜在答案中找出最佳者。对于这门特定数学学科领域而言,它致力于解决现实世界中一些可实际感受到的问题。UPS快递卡车如何选择其最佳投递路线?机场该如何合理安排航班才能保持各航班不会延误?

在处理一些优化计算任务上,传统计算机可谓设备简陋。美国南加州大学克希德·马丁量子计算中心科学主任丹尼尔·里达尔(Daniel Lidar)表示,人类验证蛋白质折叠状态会花上大量时间,自然界却能够在数秒或数分钟内完成这种任务,而传统计算机要解决这些问题,则要花上数十亿年的时间去思考。

从某种程度上讲,量子计算也具有了像自然界那样同世界互动的能力。这可能是一种今人感到难以理解的深奥想法。即便如此,这也仅仅是量子计算机的冰山一角。

1、量子计算机依靠量子力学来运行,而量子力学非常“疯狂”。

与我们肉眼所看到物体的运动规则相比,量子粒子的运动规则却大为不同。举例来说,量子粒子能够同时存在于两个地方,能够快速前进或后退,甚至能够进行所谓的瞬间移动,也就是物理学家们所说的“量子隧道效应”(quantum tunneling)。

这通常是我们在科幻小说中所看到的东西。但在量子世界中,这些现象可谓寻常之极。而科学家们也无法对此给出令人满意的答案。

2、没有人能够真正了解量子计算机的内部会发生什么。

一个被外界所熟知的量子力学理念(也适用于科学的普通法则),就是对某种活动的简单观察,将会改变事情的结果。我们受限于我们所使用工具的准确性,而这一点对于科学家们敏锐的眼光而言尤为适用。一个量子粒子被观察或以其他方式被测量后,则该量子粒子的属性将永远改变。

3、忘掉0和1的数字位——量子计算机使用“量子位”(qubit),而这种事情足以让人充满“狂野”思想。

就你的个人计算机核心而言,无疑是通过数位来处理——分别代表0和1的数字位,仅此而已。而量子计算机则使用量子位来实现其运行。与数字位一样,量子位能够代表0或1,但其真正神奇之处,还在于它们的第三种状态,即“叠加”状态——它们能够同时代表0或1。

这种神奇的能力也就意味着,同一列量子位能够同时代表大量不同事物。举例来说,如果你组建了两个量子位,则他们能够同时保持四个可能的数值:[0, 0]、[0, 1]、[1, 0]或[1, 1]。

4、量子计算机能够解决传统计算机根本无法或难以解决的问题。

在解决优化问题时,量子计算机就能够大放光彩。由于一些优化问题过于复杂,如果交由传统计算机来处理,可能会上大量时间,如数十亿年之久。

一个经典例子就是“旅行推销员问题”。想像一下,你眼前的地图上有一大堆城市,并显示出各城市之间的距离。你是一名销售员,正试图找出可走遍每个城市的最短路线。要让传统计算机来解决这个问题,唯一的办法就是记录下每一条可能路线的距离,对它们进行比较后找到最短线路。然而这并不是很“潇洒”的解决方式。

我们还记得,量子位可同时代表一个以上的事物。这也就意味着一台量子计算机能够同一时间尝试无数个可能的路线,并能够在数秒钟内向你返回最短路线的答案,而不用花上地质学纪年意义上的时间。

5、一些人认为量子计算机正在平行宇宙中运行计算。

没有人能够确认让一个量子位同时代表一个以上事物的机制。它是奇异量子的天性,并颠覆了人们此前对于事情的理解。只是我们不理解,并不意味着事情没有发生。科学家们对于这种可能性有各种各样的见解。我们最能够接受的是多宇宙理论,即理论物理学声称存在着多重(很可能是数量无限)平行宇宙。

在这种模式中,正解决旅行推销员问题的量子计算机,其实很可能在平行宇宙中运行计算,并追踪在其他宇宙中的潜在线路,目的是大幅减少解决此问题所需计算时间。

6、你的个人电脑能够像超级昂贵的量子计算机那样做很多事情。

考虑到量子计算机能够找到解决问题的最优化方案,它也依赖你每天所使用电脑中的一些基础数学工具。这通常是指已经过优化的基础算术。增加一堆数字并不比将它们加起来高明多少,将数字相乘并不比将他们简单做乘法高明多少。在此类例子中,你的个人电脑效率将与量子计算机一样具有高效率。

7、随着量子计算机易用性加强以及售价降低,它将给数据加密带来变革。

除解决一些优化问题外,量子计算机将使我们当前有关加密和数据安全的理念得以彻底颠覆。今后任何两个人之间的通话联系,所使用加密技术实际上将无法破解。

8、量子计算机必须在保持极端低温下才能正常运行。

开氏(Kelvin)温标,或者所说的“绝对零度”,也是可测量的最冷温度。根据动力学理论,当温度在绝对零度时,单个原子的动能为零,原子停止运动后,它们也就停止产生热能。美国D-Wave公司所生产量子计算机,其内部温度保持在0.02°K,相当于华氏温标-460°F。

9、量子计算机运算速度之快远超乎你的想像。

美国阿姆赫斯特大学教授凯瑟琳·麦克杰奥奇(Catherine McGeoch)对量子计算机和传统计算机运行速度进行了对比。让这两种设备分别处理同一任务后,麦克杰奥奇得出结论称,量子计算机的运行速度为传统计算机的“数千倍”。

俄罗斯学者创制量子计算机

 莫斯科的物理学家创制出了保存和处理量子信息的元件,即超导库比特,这是量子计算机的心脏。不久以前,有充分价值的超级量子计算机曾经只是假想的装置,而现在这几乎变成了现实。并且是令人难以想象的神奇的可能性的现实。

      量子计算机早已被人津津乐道,几乎就像谈论大强子对撞机那样。但是至今不存在按量子力学规律工作的有充分价值的新时代电子计算机。上述这些学者阐述这种革命式的电子计算机能比现代性能最强的计算机运算速度快百倍的新机器的断言,实质上只是一种假说。

      现在由于莫斯科的这些物理学家的研制工作,一切理论设想都可被在实践中检验。全国科研工艺大学和俄罗斯量子中心的一批学者,在乌斯季诺夫教授领导下创制并试验了量子计算机的心脏。这就是超导库比特,是保存量子信息的元件。

      乌斯季诺夫说,量子计算机有令人难以置信的神奇可能性。这是“密码写法”方面的革命。“密码写法”是判读信息的科学与实践。例如为了使用信用卡,需要把一个长数百个数字的数分解成两个普通的乘数。甚至运算最快的现代电子计算机为了完成这一个任务也需要数十亿年。而用量子计算机,这一任务可以被完成。

      库比特是一个不大的铝制平环。在它上面做成许多宽2至3纳米的断裂。为了使它变成数学天才,应当让它进入量子状态。为此要把它冷却到绝对零度,使它具有超导性能。

      诚然,库比特在量子世界里只存在数微秒,然后恢复常态。但是存在的这一瞬间是有决定性的。库比特已经做过数百次运算。这意味着,为了最快的运算,科学家们只需要使这个装置在量子世界中重新得到负荷。

   俄罗斯联邦的这种库比特是“长寿的”,它的寿命以微秒计。乌斯季诺夫解释说,这已经是成就。他补充说:“我们得以看到它的量子态”。这项研制工作将推动俄罗斯进入信息学的革命者的行列。要知道,创造有充分价值的量子计算机是21世纪的物理学的基本任务。
全文: http://radiovr.com.cn/2013_07_05/225850109/

科技不断进步 揭秘Google量子计算机

谷歌购买了一台D-Wave,全球最大的军火商洛克希德-马丁公司也买了一台。但我们仍不同意它们所购买的就是所谓的量子计算机(通用量子计算机)。
D-Wave公司号称其生产的D-Wave是世界上第一台量子计算机,是一个开创性的创造,代表着未来方向。但很多科学家对此持不同看法,他们认为D-Wave的机器并非未来世界计算的制胜法宝。上世纪80年代以来,计算机专家就开始探寻未来计算的真谛。
USC:D-Wave是量子计算机
毫无疑问,这场争论还将持续。美国南加州大学(USC)的研究人员今天发表一篇论文,指出D-Wave是一台量子计算机。USC为洛克希德-马丁公司的D-Wave量子计算机提供管理和系统运维服务。
USC教授丹尼尔·李达(Daniel Lidar)的研究团队称,他们至少证明了D-Wave的计算方式不是业界所传的“模拟热处理”模型。“模拟热处理”模型服从经典物理学定律(也就是日常生活中的物理定律),而不是更难以捉摸的量子物理学特性。
USC研究团队这篇名为“可编程量子热处理实验签名”的论文首次发表于备受推崇的学术期刊《自然通讯》。量子热处理是量子领域的一种计算模型。根据李达的观点,他率领的团队取得的研究成果表明,D-Wave系统的运作方式与量子热处理模型“非常一致”。
量子计算机的难题
1985年,英国物理学家大卫·杜斯(David Deutsch)首次提出了量子计算机模型。在他的描绘中,量子计算机的运行遵循复杂的量子力学原理,通过控制原子或小分子的状态来记录和运算信息。在传统计算机中,一个晶体管存储一个“比特”的信息;如果该晶体管处于打开状态,那么它代表的数值就为“1”,反之处于关闭状态时则为“0”。而在量子计算机系统中,在所谓的量子力学叠加原理的作用下,同一时间可以同时存在上述两种状态。
一个“量子比特”(qubit)可以同时存储“0″和“1″。如果创建两个“量子比特”,就可以一次性存储4个数值:00、01、10和11。依此类推可以看出,量子计算机是一种比传统计算机性能强大得多的计算机。
难点在于,创建一个“量子比特”是一件非常困难的事。当你从量子系统阅读信息时,一瞬间该“量子比特”就消散了。换句话说,这个“量子比特”变成了一个普通的“比特”,只拥有一个单位的值。因此它已不再是一台量子计算机。
D-Wave量子计算机的运行方式
业界流传多种方法可解决这个难题。D-Wave创始人及首席技术官乔迪·罗斯(Geordie Rose)相信,他们找到了其中的一个方法。2007年,D-Wave公司宣布研发出第一台16位量子计算机。现在该公司最先进的量子计算机为512位,谷歌购买的也是这一种。
根据D-Wave公司介绍,512位量子计算机包含512个超导电路,每个电路都是一个微小的电流回路。D-Wave公司称,这些电路被冷却到接近绝对零度,达到一个量子状态,此时这些微小回路中的电流可以同时顺时针和逆时针流动。当用户向量子计算机发出任务请求时,计算机算法会将它们映射到超导电路,然后由它们执行计算。
但是,部分科学家对D-Wave量子计算机的工作方式表示怀疑。美国加州大学戴维斯分校数学系教授格雷格·库珀伯格(Greg Kuperberg)就曾表示:“D-Wave的技术是一个消极意义上的谜团。”USC研究团队的论文或许让人们更接近了D-Wave的真相,但对于其运行方式,USC并没有在该文中说明,那仍然是个秘。
D-wave与量子物理学“非常一致”
USC研究团队在这篇论文中唯一肯定的是,D-Wave不使用模拟热处理,它是计算机数学运算的基本方式之一。李达称,模拟热处理类似于在广阔的景观中寻找最低点。
李达补充道:“我们称之为能源景观。有一个解决方案就躲在景观背后的某处,你可以想象该解决方案就藏在表面的最低点,而你打算找出这些最低点。”要寻找这些最低点,需要通过随机遍历景观,经历上山和下上的过程,知道最终找到最低的谷底。
这种方法只依赖于经典物理学,与量子物理学无关。但李达称D-wave与量子物理学“非常一致”。量子热处理与模拟热处理相似,只是当模拟热处理需要跨越山峰时,在量子热处理过程中可以穿过它们。他表示,量子热处理利用了量子的“隧道效应”,这就像一个量子快捷方式。他在报告中小心翼翼地描述D-Wave与量子热处理的关系——他们没有证明D-Wave采用了量子热处理,只是二者的有非常高的一致性,看起来一定是使用了量子热处理。
D-wave还不是通用量子计算机
但是,即便他们证明了D-Wave采用了量子热处理模型,但这并不能证明它就是一台量子计算机。当科学界人士听到量子计算机这一名词时,他们倾向于认为它指的是“通用量子计算机”,可以处理任何任务。但是,D-Wave不能达到这一点,它只是面向特定的计算。但李达认为,D-Wave背后的理念可以被用来开发通用量子计算机。
不管怎么称呼它,D-Wave的确是有用的,可以帮助解决广为人知的组合优化类问题,包括基因序列分析和蛋白质折叠的风险分析等。
D-wave被谷歌用于构建机器学习系统
谷歌上月宣布引入D-Wave时表示,将用它帮助推进机器学习,譬如借助它创建可以模拟人类学习过程的计算系统。
谷歌工程主管哈特穆特·内文(Hartmut Neven)在一篇博客文章中写道:“我们相信量子计算可以帮助解决一些最具挑战性的计算机科学问题,特别是在机器学习方面。机器学习的关键在于创建更好的模型,使之能够做出更准确的预测。”
值得注意的是,谷歌实际上已开始称D-Wave为量子计算机。这不奇怪,因为谷歌刚招聘了USC这篇论文背后的作者之一,塞尔吉奥·波伊克斯欧(Sergio Boixo)。目前谷歌的D-wave量子计算机放置在距该公司总部不远的美国宇航局艾姆斯研究中心的量子人工智能实验室。在谷歌,语义分析工作的重要性不言而喻,而这正是D-Wave的所长。

验明正身,D-Wave 量子计算机原来是“非主流”

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D-Wave 说自己要做量子计算机可不只是这一两年的事情 ,从 1999 年起,伴随他们事业的争议自然也持续到了现在。即使他们的理论已经变成了现实,卖给洛克希德·马丁一台 D-Wave One 型,卖给 Google 和 NASA 一台 D-Wave Two 型,关于 D-Wave 是不是真正的量子计算机学界还在争论不休。

“非主流”的 D-Wave

最近,南加州大学的研究者基于对 Google 这台 D-Wave Two 型的研究,在《自然》杂志上发表了一篇论文。论文的结论可以这样理解,D-Wave 是量子计算机,却也不是。

在自然界中,物理过程的发生并不需要计算,而是基于“自然”条件自然的完成。用数学语言探索这个“自然”条件的过程即是物理学,它当然很复杂。但如果“知其然不知其所以然”的用这个条件直接解决问题,似乎就简单了很多。比如,在自然界中,高能量的状态会自发的转变到低能量的基态,这个过程本身就是一个达到最优结果的过程。

D-Wave 量子计算机正是模拟了这个过程。在计算机中由液氮创造的超低温环境保持了芯片上多个量子位组成的阵列的低能量基态,并且低温也创造了一个几乎没有热运动的环境,保证了量子位整列的基态不会被热交换干扰。也保证了量子位阵列只通过隧道穿透效应改变自旋状态。

D-Wave 实现了两个目标,一个是实现了“控制”多个量子位的自旋,在 D-Wave Two 机型中,量子位的数量高达 512 个。另外一个就是利用了隧道穿透效应,实现量子退火算法优化计算过程。D-Wave 擅长完成诸如线性规划,粒子能量计算,蛋白质折叠这样的计算。

什么是量子计算机?

到目前为止,电子计算机与理论中的未来计算机使用的都是冯·诺依曼结构,它们之间的不同主要是传输与计算的“信号”之间的不同。在传统计算机中,输入的信号是某个量的本征态,简单的说,就是在我们传统的经典物理学范畴内只能够观测到唯一结果的量,比如一个二进制数字 0110110。当然,经过计算之后,输出的信号也是这样。

电子计算机的运算单元中最基本的部件被称为“门”,是所有逻辑运算的基础。门有很多种类型,比如与门、或门、非门、与或门、与非门等等。举例来说,非门最简单。基于二进制的特性,让你输入“0”时,非门会得到结果“1”,输入“1”时,结果则是“0”。与门稍微复杂一点,能对同时输入的两个量作出判断。输入“0”、“0”结果为“0”,输入“0”、“1”结果为“0”,输入“1”、“0”结果为“0”,输入“1”、“1”结果为“1”。简单地说,当所有输入都为高值,结果才为高,只要有一个低值,结果就为低。

电子计算机的逻辑电路就是用这样无数个“门”组成。门组成加法器,进而实现更复杂的运算。如同二进制的特点,电子计算机使用的半导体元件有且只有两个状态:开或闭。理论上真正的量子计算机则完全不同。

在量子力学中,物质的状态虽然可以通过实验和计算确定,但是观察的结果却不是“绝对”的,每一次观察可能“发现”不同的结果。如果我们有能力复制“很多”个“状态”完全一致的物体,并对它们分别进行观测,如果都能得到相同结果,那么说明这个物体处在观测空间的某个本征态上。而如果观测结果不同,那么说明该物体处在该空间一系列本征态的叠加状态上。

这些不同的结果,就是物质在一系列空间中本征态的叠加,称为“叠加态”。这种量子状态在宏观世界几乎是不可能观察到的,“薛定谔的猫”这个思想实验可以帮助理解这种有点违反常识的现象。如同猫具有“又死又活”这个叠加态,在量子力学描述的世界中,虽然事件的因果是必然的,但是你看到的结果却有可能是不同的。

量子力学描述了粒子的另外一种特性:自旋。这种特性无法用本征态来表示,除了可以 0 和 1描述正向和反向自旋之外,这两者之间还有多种不同的状态。能够表现这些叠加态的元件称为量子位。如同电子计算机中的二进制算位,量子位即是理论中量子计算机的计算基础。量子计算机对每一个叠加态分量实现的计算相当于进行一次传统的计算。所有这些传统计算同时完成并按一定的概率振幅叠加起来,即是量子计算机的输出结果。果壳的方弦这么说:“不太准确的比方,电子计算机能解决无数个问题,那么理论上量子计算机就能解决 2× 无数个问题。”

量子计算机可以对叠加态进行运算,但是运算结果本身也是叠加态。只有针对特定的问题,才能用特定的算法从叠加的结果中抽离出需要的信息。而且,遵循不确定性原理,任何对量子叠加态的测量都会导致波函数的坍缩,一旦坍缩就会出现一个确定的状态,量子叠加态消失,所有在叠加态基础上进行的计算也都将不复存在。也就是说,造出量子计算机还需要目前不存在的物理学突破。有个流传甚广的段子这样说:“造出量子计算机的成功率大概和造出反重力汽车差不多。”

DWave_Quantum_Computers

为什么要制造量子计算机?

电子计算机是有瓶颈的。在追求性能的路上,现代半导体芯片的晶体管数目激增,为了减小芯片面积,控制功耗,制造大规模集成电路的工艺越来越精密,英特尔已经将制程推进到了 10 纳米左右。继续推进的成本和得到的性能提升实际上已经不成正比,而且在进行某些大规模运算时,即使最强大的超级电子计算机也已经力不从心。而且制程的缩小也不是无限制的。

当芯片中结构的尺寸小于某个值——一般认为这个值现在的工艺已经基本接近,电子的运动就不仅遵循经典物理,开始呈现量子态。举例来说,这种情况下电子有概率呈现出波的特性,出现隧道穿透效应“穿过”原本不可能穿过的绝缘节点。在宏观上,半导体芯片会出现漏电等不良结果。量子计算机就是理论上完全超越现阶段电子计算机的下一代计算机器。

在量子退火算法的性能方面,其实目前还有争议。在某些超级计算机上使用模拟的量子退火算法计算的速度甚至超过 D-Wave。从原理上讲,D-Wave 并没有利用量子门电路控制量子位来进行计算,它并不是上文所说的理论中的量子计算机。但 D-Wave 实现的量子退火算法确实利用了量子理论描述的效应,它是特殊的“量子计算机”。

南加州大学:D-Wave的量子计算机是真的

【日经BP社报道】美国南加州大学(University of Southern California,USC)的研究团队2013年6月28日宣布,验证了加拿大D-Wave Systems公司投产的128量子位(qubit)量子计算机用处理器,并确认,“至少芯片的一部分可以像预想的那样发挥量子力学的效果”(英文发布资料)。相关相关论文已刊登在学术杂志《自然通讯》(Nature Communications)上。

USC验证的是美国洛克希德·马丁公司2011年5月从D-Wave Systems公司购入、2011年10月设置在南加州大学维特比工学院(USC Viterbi Information Sciences Institute)内的量子计算机处理器“Rainier”。该处理器号称拥有128量子位,但设计上可实际发挥作用的是108量子位。

USC表示,“使用特定的测试问题,确认了D-Wave的处理器芯片中8量子位的运行”。具体使用选出哈密尔顿函数最小值的量子位组搜索问题获得了验证结果,这种结果能够通过没有量子力学的效果就不会发挥作用的“量子退火法(quantum annealing,QA)获得,而采用古典退火法则无法获得。论文第一作者塞尔吉奥·波伊克斯欧(Sergio Boixo)介绍说,“从纯粹的物理学角度来说,D-Wave处理器确实能发挥出了量子力学的效果”。

D-Wave Systems还发布了512量子位处理器“Vesuvius”。据介绍,谷歌和美国航天局艾姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)也购买了配备Vesuvius的量子计算机,预定2013年下半年投入使用。(记者:野泽 哲生,《日经电子》)

量子计算机时代或将开启,已经开启

谷歌买了一台,全球第一大国防承包商洛克希德·马丁(Lockheed Martin)公司也购买了一台。只是对于他们所购买产品的具体名称,外界尚未能够就此达成一致。

这种产品的制造商D-Wave,将这种产品称为全球首款量子计算机,并认为其前瞻性预示着未来数学计算的发展方向。但全球大量专家对此却存在着颇为不同的看法,称D-Wave机器根本不能算是科学社区自上个世纪80年代以来所追求的计算圣杯。

毫无疑问,这种争论仍将继续下去。然而今天美国南加州大学刚刚发表了一篇论文,其内容向证实D-Wave机器确实为量子计算机又更近了一步。南加州大学安装和运行了一台洛克希德·马丁所购买的D-Wave系统,由该校电子工程、化学及物理学教授丹尼尔·里达尔(Daniel Lidar)领导的研究团队称,他们至少已能够证实,该机器并不是使用所谓“模拟退火法”(simulated annealing)的计算模式,该模式遵循古典物理学(日常生活中的物理学)的法则,而不是更难以理解的量子物理学特点。

里达尔说:“我们的研究将一个古典模式的类型排除在外,而这种模式正是外界对于D-Wave机器功能描述的争论所在。D-Wave机器投放市场时,很多人都持有这种看法,但我们却排除了这一点。”

这篇名为《可编程量子退火法的实验报告》的论文,发表在知名度很高的学术期刊《自然通信》上面。作为一种计算模式,量子退火法自然是适用于量子领域,且里达尔表示,该团队的研究结果显示,量子退火法与D-Wave系统运行方式之间有着“强烈一致性”。

英国物理学家戴维·多伊奇(David Deutsch)在1985年首次提出,量子计算机就是依照量子力学原则而运行的机器,量子物理学研究对象为很小的事物,如电子和光子等。在古典计算机中,是以晶体管方式来存储单一的比特(bit)信息。如果晶体管处于开启状态,则相当于“1”;如果是关闭状态,则相当于“0”。而在量子计算机中, 由于量子力学中所谓的叠加原理,信息被保存在可同时处于两种状态的系统当中。

这种“量子位”(qubit)能够同时存储“0”和“1”。如果你组建了两个量子位,则他们能够马上保持四个数值,即00、01、10和11。如果你再增加更多量子位,则这种机器的计算机能力将比古典计算机要强大得多。

但令人伤脑筋的事情是,即使是组建单一量子位也非常困难。当你查看,比如说从一个量子系统中阅读信息,量子位的信息整体性就会消失。换句话说,它会转变成一个普通比特而仅保持一个单一值。如此一来,该系统就不再是量子计算机。

有许多方法可解决上述问题。D-Wave创始人兼首席技术官(CTO)杰奥迪·罗斯(Geordie Rose)及其研发团队认为,他们已经找到了一个解决方案。2007年期间,D-Wave发布了其称为16量子位的计算机,而该公司当前产品型号已是自称为512量子位机器。这也是谷歌正在使用的产品。

D-Wave称,这种机器包含了512个超导电路,每个都是很小的环型电流。该公司表示,这些电路被冷却在几乎完美的零度,因此无论这些电流正向或反向流动,这些电路都能同时进入量子状态。当你交给机器一个处理任务时,机器就会使用一系列算法,并通过这些量子位来进行计算,然后再得出相应结果。从本质上讲,该系统的工作原理就是,当系统中的温度增加后,系统将作出决定使一些电路在特殊模式下显现出来。

然而诸如美国加州大学戴维斯分校数学教授格雷格·库帕伯格(Greg Kuperberg)等科学家,却对D-Wave机器的工作原理仍持质疑态度。库帕伯格去年在接受《连线》杂志采访时表示:“D-Wave的技术原理一直是个谜,给人一种不看好的感觉。”而南加州大学的论文使我们离真相更近了一步,但在该机器的运行机制事宜上,里达尔及其团队仍给外界留下了质疑的空间。

里达尔团队可以肯定的一点是,该系统并不是使用模拟退火法计算模式,这也就意味着该系统正是我们一直在寻求计算方案的一种方式。里达尔认为,模拟退火法模式,就好比在辽阔无边的风景区来找到一个可能存在的最低点。

里达尔说:“我们将其称为精力风景区。在该风景区中隐藏着一个解决方案,你可以想像,那个解决方案正隐藏在表面的最低点。而你正试图找到这个最低点。”这种方式,也就是随意穿过风景区,再顺“山”而下以及将它们甩在身后,直到你找到最深的山谷。

这种手段完全依赖于古典物理学而非量子物理学。但里达尔表示,D-Wave系统运行原理“符合”量子退火法模式。这种方式虽然也同模拟退火法有相似之处,但从本质上讲,它是穿过高山而不是翻过它们。里达尔说:“你能够利用名为隧道效应(tunneling)的量子现象优势,它就好比一个量子快捷方式。”里达尔谨慎地表示,他和他的团队尚没有证实D-Wave机器已在使用量子退火法模式,但该系统看上去确实正在使用该模式。

即使里达尔团队能够证实D-Wave机器以这种方式运行,但也不足以证实该系统就是一台量子计算机。在科学家社区听到这一名称时,他们更趋向于“通用型量子计算机”,即能够处理任何任务的量子计算机产品。D-Wave产品却无法以这种方式工作,而是被设计成处理一些特殊算法。里达尔却认为,从理论上讲,这些理念也可被加以利用以打造出通用型量子计算机。

无论你给予D-Wave产品何种名称,该系统都有着实用价值:有助于解决业界所知道的联合优化问题。联合优化涉及几乎所有产业领域,如染色体序列分析、蛋白质折叠以及风险分析等等。谷歌上月宣布了正使用D-Wave机器的消息,并表示谷歌将借助该系统来协助解决高级机器学习的问题,如创建一个能够像人类一样进行学习的计算系统。

谷歌技术开发主管哈特穆特·奈文(Hartmut Neven)当时在一则博文中写道:“我们相信,量子计算或许将协助解决计算机科学领域中一些最具挑战性问题。所谓机器学习,其实就是要创建出性能更好的模式,从而使预见性更为准确。”

从实用价值上看,谷歌实际上已将D-Wave产品称为量子计算机。正因为如此,谷歌最近刚刚招聘了南加州大学论文作者之一塞吉奥·伯伊斯科(Sergio Boixo)。该机器安装在美国国家航空航天局(NASA)的艾姆斯研究中心里边,此地离谷歌总部不远,该公司将机器安放地点称为“量子人工智能实验室”。在谷歌内部,对于语义学研究的重要性,几乎等同于他们手上每天必须处理的工作任务。