月度归档:2014年08月

量子技术“悲观ing”,只因人们未解其“真谛”

未来5年,英国政府将拿出2.7亿英镑用以支持“量子技术”的研究。在2013年这一预算公布时,离岸风电和页岩气开采因获得支援,迎来了不绝于耳的“恭喜恭喜”。相较而言,一提到“量子技术”,不论支持派还是反对派,又变成了令人无语的鸦雀无声。

量子技术探索的是光团与物质团的吊诡行为,这些团块包括单个原子、电子和光子。用这些“子”作为搭建大厦的“砖”,可以构建量子叠加态计算机。这些叠加态是如此的不同寻常,以至于用简单的语言都不能够准确描述它们,必须诉诸数学描述。

量子激情&安全关切,吸引眼球不容易

据物理学家组织网报道,由英国政府主管商务、改革和技术的部门资助的“科学智囊”最近公布的一项调查发现,在量子技术的社会感知、伦理和技术影响方面没有进行过民意测验或调查,相反,他们需要通过新闻、博客文章和网上评论评估相关公众舆论走向。

量子理论始终伴随着一种“神秘”气息,一种奇异的、具有强大能力的新型计算机显现出成功的迹象,使量子技术成为在主流媒体里被热烈讨论的头条内容。2013年,由全球科技投资业巨头谷歌公司、美国国家航空航天局和加拿大新贵国防承包商洛克希德·马丁投资的加拿大D-波公司,着实引爆了公众的量子激情。

最近,由爱德华·斯诺登披露的文件显示,美国国家安全局用8000万美元资助了一个名为“量子计算机的密码技术用途”的项目。

此前媒体报道的量子技术经常聚焦在其对隐私和密码分析(用来解密隐藏信息)的影响。在基于物理学规律能保证安全性的前提下,用量子加密技术能够为秘密通信提供通道;此外,用量子算法还能提供一种路径,可以破解大多数的现有通信方法。

第二种由于相对容易传播,引起了广泛的安全关切。随着越来越多的数字化沟通渠道的产生,人们越来越关注围绕数据发生的潜在风险。利用先进技术的政府监控泄露事件最近引起了公众激烈的争论。

谷歌前瞻性地宣布开发鲜有人知的量子模拟和机器学习技术,这些应用可以说比密码破解更具潜力。一些媒体报道展现了上述观点,但是这些应用的复杂性和多样性,对外行的受众来说,仍是提出了重大挑战。

艰难前行VS悲观情绪,“刻板印象”难打破

政府任何一个参政者都可能对能源和教育发表远见卓识,因为这符合公众对他们的期盼,但面对异常活跃、艰难前行又超级难懂的量子科学研究领域,他们少言寡语似乎也是可以理解和被原谅的。

在处理诸如安全通信、原子和分子的计算机模拟、精确计算、密码破译以及大数据的定量分析等重要任务方面,基于量子技术的设备被寄予厚望,希望它们的能力远远超越传统工具。

虽然强劲的公共和私人投资显示,量子技术的实际应用比以往任何时候都接近市场了,但“科学智囊”的研究指出,在纸媒报道和在线读者评论中,最近出现了大量悲观情绪,作者们明确表示了一种挫败感——量子计算时代被“即将到来”了十多年,或许将永远停留在那儿。

这种态度加剧了公众对量子力学“超难搞懂”的刻板印象,这意味着,性能的重大改进和量子硬件可行性的重大新闻经常会被媒体漏报。本来对新型量子设备的评估和检验就很难,该领域专家也时有驽钝,如此一来,媒体竟然完全帮不上忙了,直接导致了对D-波公司宣称的量子加速真实性的激烈而广泛的质疑与争论。

在不久到来的某一时刻,量子设备很可能会对我们的健康、隐私、国防和环境产生重大影响。

基于“科学智囊”的研究结论,促进公众的关注点从基于现有量子理论的神秘机制和现象,向相关伦理和社会学问题的转变,似乎显得更为迫切。

D-Wave量子计算机 退火的真相

D-Wave量子计算机中的“量子力学退火现象”、即量子退火是如何进行的?下面就通过实际的实验来介绍一下(图1)。

施加“横磁场”后慢慢减弱
图1:D-Wave内部发生的量子退火现象的图解

       首先根据希望求解的组合优化问题,设定三维伊辛模型(Ising Model)的自旋间相互作用。这相当于传统计算机中的编程。

       接下来,将自旋间相互作用的强度设为零,同时向三维伊辛模型施加“横磁场”。实际的操作是向超导电路流入特殊电流(图1中的状态1)。

       施加横磁场后,就会形成自旋方向呈朝向和朝下“重合存在”的状态。“重合”是量子力学的现象之一。此时的状态是,自旋是朝上还是朝下并不清楚,但检测时两种方向都可确定。

       在慢慢持续减弱横磁场的同时,慢慢增强自旋间的相互作用(图1中2到3的状态)。当横磁场减至零时,自旋的方向就会以高概率变成使三维伊辛模型的能量达到最小的组合。这样便得到了解。

       从量子退火的理论上看,使横磁场变零的时间越长,得到精确解的概率就越高。但时间变长后,量子力学的“重合现象”就会消失。因此要在数毫秒内完成实验。

       而实验时间太短的话,得到精确解的概率就会降低。因此,D-Wave量子计算机会反复实验1000次,将最佳值视为“解”。也就是说,D-Wave量子计算机得到的解也可能是“近似解”而非精确解。但即便如此,与传统计算机进行的模拟退火相比,仍可得到更接近精确解的近似解。而且求解的时间也较短。

       那么,利用D-Wave进行量子退火时,为何能够比使用古典力学的模拟退火(SA)获得更理想的解呢(图2)?图2以数学方式解释了量子退火与模拟退火的不同。两者都是在以自旋的方向组合(排列)为变数、以能量的大小为结果的函数中,搜索使能量达到最小的“基态”。

凭借“量子退火”接近解

能够快速得到解的原因

       模拟退火是从曲线图上的任意一地点出发来搜索能量变小的方向。但该曲线图中有多个“山”和“谷”。搜索的目标是最深的谷、即“基态”,但也有可能会收敛于较小的谷、即“局部最优解”。因此,模拟退火通过向搜索施加“热波动”来翻越“山”。这样一来,就会以某一概率搜索到基态。

       而量子退火则是对曲线图上的所有地点同时开始搜索。即使搜索陷入了小谷中,也会凭借“量子退火”这一量子力学现象穿透出去,向基态搜索。这样便可高速得到解。

D-Wave量子计算机–在宇宙最寒冷的地方工作

D-Wave的量子计算机的原理与我们现在使用的计算机(古典计算机)、已被研究多年的传统量子计算机(量子门方式)完全不同。其原理究竟是什么?下面,笔者将分五步进行介绍。

STEP 1:这是一种什么硬件?

       首先来看一下据称是10亿日元1台的D-Wave量子计算机的硬件(图1)。机壳的外观看上去像是服务器机柜。机壳内设置着闪烁银光的筒状的“稀释冷冻机”,冷冻机内有D-Wave量子计算机的心脏——超导电路。

            利用超导电路实现量子比特
图1:D-Wave的硬件


       使用冷冻机是因为必须使超导电路的温度无限接近绝对零度(-273.15℃)的20mK。该冷冻机内被称为“宇宙中最冷的地方”。

       图1的中间就是超导电路的照片。这里安装着对于量子计算机来说最重要的“量子比特”,其作用是产生量子力学现象。量子比特是使用超导材料铌(Nb)制作的环,环中通入左向电流时会产生向上的“磁通量量子”,通入右向电流则会产生向下的“磁通量量子”。磁通量量子是赋予物体磁力的“磁通量”的最小单位。这里可以大致理解为“量子比特中可以流过向上或向下的信号”。

       磁通量量子的磁场非常小,要使用“量子通量参变器(QFP)”放大。放大后的磁场使用“超导量子干涉器(dc SQUID)”测量。量子比特与QFP都是日本首先开发成功的。

STEP 2:本质是什么?

       D-Wave量子计算机是一台“实验装置”。

       与传统计算机的不同之处是,D-Wave量子计算机会实际发生与现实世界的自然现象相同的现象。其内部安装着特殊磁性体(磁铁)“自旋玻璃”的模型。传统计算机虽然能够模拟自然现象,但无法实际产生现象。

       实验装置D-Wave量子计算机为何能够解决“组合优化问题”?这与D-Wave量子计算机诞生的历程有着密切的关系。

STEP 3:如何诞生的?

       D-Wave量子计算机诞生的契机是日本东京工业大学的西森教授提出的“量子退火”。量子退火是一种“借用自然现象的算法”。

       “借用自然现象的算法”是传统计算机有效解决“组合优化问题”等使用的方法,著名的一个例子是“遗传算法”(图2)。

            借用自然现象的原理解决难题
图2:使用传统计算机、在算法中借用自然现象的示例


       遗传算法中,首先把数学上的“组合优化问题”映射到“生物遗传”这一自然现象,然后在传统计算机上模拟生物的遗传现象,把遗传结果视为组合优化问题的近似解。

       作为借用自然现象的算法之一,“模拟退火(SA)”借用的是把磁性体加热到高温并缓慢冷却后,形状趋于稳定的“退火”现象。SA一直是在传统计算机上模拟退火现象,求出组合优化问题的近似解。

       1998年,东工大的西森教授产生了一个想法:算法中如果不是模拟真实的退火现象,而是借用“量子力学退火现象”这种理论现象,是不是能更快地解决组合优化问题?

       西森教授的研究方向是借用物理现象设计算法的“信息统计力学”。在借用大量物理现象反复进行测试的过程中,西森教授产生了上面的那个创意。于是便与当时他研究室的研究生门胁正史合作,提出了借用“量子力学退火现象”的算法,也就是“量子退火”(图3)。

            构想的两次飞跃
图3:D-Wave Systems量子计算机诞生的经过

(图左摄影:加藤 康) (点击放大)
       门胁通过计算机模拟进行验证,结果显示,“与通常(经典力学)的退火相比,借用‘量子力学退火’的算法能够以更高的概率,求出组合优化问题的精确解”(门胁)。

       量子退火是一种算法,按照西森教授的设想,只要在传统计算机上模拟“量子力学退火现象”即可。但他没有想到的是,在2004年出现了一位有着划时代奇思妙想的人物。他就是D-Wave Systems的创始人乔迪·罗斯(Geordie Rose)。

       罗斯异想天开,想要制作能产生“量子力学退火现象”的实验装置。按照他的设想,与在传统计算机上模拟“量子力学退火现象”相比,在实验装置中产生实际现象能够更快地得到结果,于是便使用超导电路制作出了实验装置。这就是2011年投入商用的D-Wave量子计算机诞生的经过,也是D-Wave量子计算机能够解决组合优化问题的原因。

STEP 4:进行什么实验?

       D-Wave量子计算机上安装了模拟特殊磁性体——自旋玻璃的“三维伊辛模型”(图4)。实施使磁性体能量达到最小的实验,就可解决组合优化问题。

            制作模拟特殊磁性体“自旋玻璃”的实验装置
图4:三维伊辛模型的概念图


       首先来解释一下三维伊辛模型模拟的自旋玻璃。

       一般来说,磁性体具有物体能量由原子自旋方向(只有上下两种方向)和自旋之间的相互作用决定的性质。能量越小,磁性体的形状越稳定,能量越大,形状越不稳定。对于通常的磁性体来说,原子的自旋方向完全相同时,能量最小,形状最稳定。但自旋玻璃作为一种特殊的磁性体,即使原子的自旋方向各不相同,其能量仍为最小。

       D-Wave量子计算机进行的物理实验的内容,就是让自旋相互作用事先已经确定的自旋玻璃发生“量子力学退火现象”,使自旋玻璃的能量达到最小,求出此时自旋方向的组合(自旋排列)。

       D-Wave量子计算机上安装的是什么样的三维伊辛模型呢?三维伊辛模型的自旋用量子比特(图1右侧)表示,量子比特中发生的磁通量量子的方向即为自旋方向。相邻的量子比特之间相互连接。量子比特之间的相互作用通过超导电路“可编程磁性存储器”来设定。设定等使用的是与D-Wave量子计算机连接的个人电脑。

       真正的磁性体不同于模型,无法自由设定自旋相互作用,也无法测量实验结果,也就是自旋的方向。而D-Wave量子计算机的本质是自旋玻璃的模型,因此能够实现这些操作。

STEP 5:实验结果意味着什么?

       使用D-Wave量子计算机进行实验,能够求出使自旋玻璃的能量达到最小的自旋排列。假设自旋的数量为“N”,则可能的自旋排列有“2的N次方”种(图5)。D-Wave量子计算机的实验结果可以说是“从2的N次方种自旋排列中找出的能量最小的自旋排列”。

            实验结果等于“组合优化问题”的解
图5:利用三维伊辛模型解决的问题的图解


       使用传统计算机求出这样的自旋排列非常困难。如果用穷举法求自旋排列,计算时间也将增至2的N次方倍。就算是超级计算机,也无法在有限的时间内求解。

       而通过查看D-Wave量子计算机的实验结果,不用计算,也能找到能量最小的自旋排列。也就是说,D-Wave量子计算机能够解决找出使自旋玻璃能量达到最小的自旋排列的“组合优化问题”。

       D-Wave量子计算机的最新型号“D-Wave Two”配备了512个自旋,能够实现“2的512次方”种自旋排列。理论上来说,D-Wave Two可以在几毫秒内,从2的512次方种自旋排列中,找出能量最小的自旋排列。

       除了求解自旋玻璃最佳排列这个组合优化问题之外,D-Wave量子计算机还能用来解决其他问题。此时,需要将求解的问题映射到自旋玻璃的自旋与自旋相互作用的关系。以旅行商问题为例,旅行的城市相当于自旋玻璃的自旋,城市间的距离相当于自旋相互作用。这样的对应方式一目了然,实际的映射其实还要复杂得多。实验得出的使自旋玻璃的能量达到最小的自旋排列即为移动距离最短路径的解。(记者:中田 敦,《日经计算机》)

钻石是量子计算机最好的朋友

 量子计算机是量子技术的巅峰。它的计算能力甚至可以远远超越我们现在使用的最快的普通计算机。奥地利维也纳理工大学、日本国立信息技术研究所和日本NTT基础研究实验室的科学家现在正在开发一种新的量子计算结构,其基础是钻石中的微小瑕疵。一台能够解决复杂问题的可靠的量子计算机中,必须有几十亿个量子系统,我们现在还制造不出这样的设备。但是研究人员相信,与以前提出的量子计算概念相比,他们最新提出的这种结构中的一些基本元素,更适合被微型化、大批量生产和集合成芯片。维也纳理工大学正在准备测试这种新的量子计算结构。

  科学家已经尝试了几十年用量子系统进行逻辑计算。维也纳理工大学的Jorg Schmiedmayer说,“在普通计算机里,一个字节可以储存一个数字:0或1。但是在量子物理允许态叠加。一个量子字节可以同时处于0的状态和1的状态——这为计算开启了难以置信的可能性。”

  这种叠加态可以在各种不同的量子系统中实现,比如被电磁陷阱捕捉的离子。而这次研究提出的新结构则不同:可以处于两种不同旋转态的氮原子被注入一小块钻石里。每个氮缺陷都会被捕捉到由两面镜子制成的光学共振器里。通过光纤,光子将与由共振器、钻石和氮原子构成的量子系统结合。通过这种方式,科学家可以读取和影响量子系统的状态,但是不会破坏钻石中的回旋的量子特性。

  每个量子系统都是由镜面、钻石和一个氮缺陷构成的,可以储存一个量子字节的信息——0、1、或二者的任意叠加。但是,这样的量子字节通常是不稳定的。要制造一台能够可靠工作的量子计算机,必须有纠错程序。“如果使用了纠错程序,一个量子字节就不能再储存在单一一个量子粒子中了,量子系统之间必须有一个比较复杂的相互连接的结构,”维也纳理工大学的Michael trupke说。

  研究人员计算了如何对共振器、钻石和氮原子进行组合,才能创建一个抗错的二维量子系统,即所谓的“受到拓扑保护的量子计算机”。根据计算,大约需要45亿个这样的量子系统,才能完成“shor-2048”这样的计算,也就是计算一个2048位的数字的质因数。

  在任何一台量子计算机结构中,都需要如此多的量子元素,无论使用的是离子陷阱、超导量子字节还是钻石中的氮螺旋。“我们的方法有一个重大的优势,就是我们知道如何使这些元素变得更小。这个结构有巨大的微型化和大批量生产的潜力,”Michael trupke说。“整个行业都在使用钻石,而材料科学的发展非常快。虽然现在还有很多障碍需要克服,但是将氮螺旋结合到固体材料中去的想法,为我们打开了一条新路,使我们最终能够制造出量子计算机。”

  trupke把现在的量子计算状态比作电子计算机刚出现的时候,“最早的一批晶体管制造出来的时候,没有人能想到把几亿个晶体管放到一个小小的芯片里。今天,我们就把这样的芯片放在口袋里。这些钻石中的氮螺旋就像普通计算机中的晶体管一样。”

  在维也纳理工大学,研究人员已经开始小规模地实现这种结构。“我们具有巨大的优势,很多在材料科学和量子技术方面享有国际声誉的研究人员就在维也纳理工大学工作,我们有幸能与他们合作,”Jorg Schmiedmayer说。

  要在量子计算机上完成shor-2048这样的计算,可能还有很长的路要走。但是科学家相信,只要结合大量的量子系统,这个目标是有可能在未来几年内实现的。“一旦实现了这样的目标,量子计算机的生产规模就会迅速扩大,”日本国立信息技术研究所的Kae Nemoto说。“这都取决于我们能否实现量子技术的大规模生产和微型化。我觉得没有任何物理学的原理会阻碍我们实现这个目标。”