日前，據日媒報道，日本國立情報學(xué)研究所等機構證實(shí)，其開(kāi)發(fā)的、采用新計算方式的高速計算機，擁有超過(guò)現有量子計算機的性能。這臺計算機名為“Coherent Ising Machine”，其設計目的是為快速解決組合優(yōu)化問(wèn)題。

　　這臺新計算機的性能真能超過(guò)現有量子計算機嗎?為此，科技日報記者采訪(fǎng)中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室教授韓正甫得知，原來(lái)，這臺計算機不是傳統的量子計算機，而是一種專(zhuān)用量子計算機，又被稱(chēng)為量子退火機，或被稱(chēng)為量子模擬機。

　　“準確地說(shuō)，這臺計算機是日本科研人員用光學(xué)器件構成的量子退火機，和加拿大D-Wave公司用超導器件構成的量子退火機放在一起比較，日本的量子退火機在某些指標上相對優(yōu)越。”韓正甫說(shuō)。

　　新研高速計算機實(shí)為量子退火機

　　量子計算機是利用量子力學(xué)原理進(jìn)行運算的計算機，其被視作計算速度遠超現有計算機的“夢(mèng)幻設備”。“當前，量子計算業(yè)界的目標是，打造一款通用的量子計算機：它不僅能解決任何運算問(wèn)題，其運算速度還能超越當今最快的超級計算機。”韓正甫介紹道。

　　實(shí)際上，量子計算的概念早在上世紀80年代就已被提出，其基礎理論也在上世紀90年代和本世紀初得到突破，但真正意義上的通用量子計算機卻遲遲沒(méi)有問(wèn)世。

　　“研發(fā)通用量子計算機的難度非常大，目前仍未有重大突破。”韓正甫說(shuō)，所以一部分科學(xué)家另辟蹊徑，研發(fā)技術(shù)難度相對較低的專(zhuān)用量子計算機，即量子退火機。

　　退火的概念源于金屬加工領(lǐng)域，是指給金屬升溫，使其溫度高于再結晶溫度并維持一段時(shí)間，再將其緩慢冷卻。所謂量子退火，就是當緩慢地調控量子的微觀(guān)體系時(shí)，量子狀態(tài)也會(huì )隨之發(fā)生細微的變化，最后趨于能量最低的基態(tài)。這與金屬退火現象很類(lèi)似，故相關(guān)量子計算機被稱(chēng)為量子退火機。

　　“這方面的典型代表是加拿大的D-Wave公司，他們基于超導器件，構造出量子退火機，可以運行一些特定的算法，這些年得到了比較多的關(guān)注。”中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室副教授涂濤說(shuō)。

　　受到加拿大D-Wave公司成功經(jīng)驗的啟發(fā)，原美國斯坦福大學(xué)教授山本(Y。 Yamamoto)回到日本，與日本電信電話(huà)株式會(huì )社和日本國立情報學(xué)研究所的日本同事一起研發(fā)日本的量子退火機。

　　“與加拿大D-Wave公司采用超導器件不同，日本的研究組采用了他們熟悉的光學(xué)技術(shù)。”韓正甫說(shuō)。

　　日本山本課題組于2016年在《科學(xué)》雜志以《全聯(lián)通、可編程的100個(gè)自旋的Coherent Ising Machine》為題，報道了他們的100個(gè)自旋的量子退火機。接著(zhù)近年來(lái)不斷發(fā)表相關(guān)文章，其量子退火機的自旋數目，也從100個(gè)增加到5萬(wàn)個(gè)。

　　日前，山本課題組在《科學(xué)》子刊《科學(xué)進(jìn)展》雜志以《實(shí)驗比較Coherent Ising Machine和量子退火機的性能》為題，報道了他們的5萬(wàn)個(gè)自旋的Coherent Ising Machine，并與加拿大D-Wave公司的2000個(gè)自旋的量子退火機進(jìn)行比較，指出前者性能在某些指標上更優(yōu)秀。

　　計算性能排名學(xué)界尚無(wú)定論

　　涂濤表示，量子退火機之所以受到關(guān)注，是因為這種計算機能快速求解組合優(yōu)化問(wèn)題，而這正是“機器學(xué)習”“深度學(xué)習”等計算處理技術(shù)要解決的本質(zhì)問(wèn)題。

　　組合優(yōu)化問(wèn)題是指，給定一些約束條件，尋找某個(gè)多變量目標函數的極小值，這個(gè)極小值也被稱(chēng)為全局最優(yōu)解。通常情況下，找到全局最優(yōu)解非常困難，往往只能找到局部最優(yōu)解。組合優(yōu)化問(wèn)題在現實(shí)生活中很常見(jiàn)，如貨物運輸時(shí)要尋找最優(yōu)路徑、或分配大量人員時(shí)尋求最優(yōu)調度等。

　　“從計算科學(xué)角度來(lái)講，尋找全局最優(yōu)解的計算難度，隨著(zhù)問(wèn)題規模增大而提升。”涂濤說(shuō)，問(wèn)題規模變大后，組合優(yōu)化問(wèn)題就會(huì )出現更多變量，這時(shí)目標函數也會(huì )變得更復雜，可能會(huì )出現大量局部極小值點(diǎn)，使找到全局極小值變得異常困難。

　　韓正甫告訴記者，一般通用量子計算機難以解決這種問(wèn)題，若選擇現有電子計算機求解組合優(yōu)化問(wèn)題，則需要花費非常長(cháng)的時(shí)間。然而，利用量子退火機，可在一個(gè)單次周期內解決問(wèn)題，耗時(shí)相對較短。

　　對于日媒提出的“采用新計算方式的高速計算機擁有超過(guò)現有量子計算機的性能”這一說(shuō)法，天津大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系教授曲日表示，在理論上，目前學(xué)界還未證明量子計算、經(jīng)典計算、Coherent Ising machines，哪一個(gè)就一定比其他兩個(gè)更有優(yōu)勢。“只能說(shuō)，以一般的學(xué)術(shù)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，日本科研人員在Coherent Ising machines量子計算模型上，針對特定問(wèn)題，發(fā)現了比經(jīng)典計算機現有算法更優(yōu)秀的算法，即計算復雜度更小的算法。”曲日說(shuō)。

　　量子計算強大僅是理論預測

　　那么，同樣是用量子退火的方式，相比加拿大D-Wave公司的量子退火機，日本研制出的機器，其性能領(lǐng)先在哪兒?

　　目前，加拿大D-Wave公司構建量子退火機所利用的超導器件，其可控的量子位數目為2000個(gè)。與之相比，日本所用的光學(xué)器件，其可控的量子位數目已達5萬(wàn)個(gè)。由于后者量子位數目更大，因而可解決更復雜的問(wèn)題;同時(shí)，后者底層器件是光學(xué)器件，與加拿大D-Wave公司的超導器件相比，機器無(wú)需低溫環(huán)境存放，穩定性高、可控性好。

　　涂濤告訴記者，除了量子計算機、量子退火機，還有許多被寄予厚望的“后補選手”，它們個(gè)個(gè)“身手不凡”。

　　例如，超導磁通器件，其可取代傳統的半導體器件來(lái)構成超導計算機。它的優(yōu)勢在于低能耗，有望應用在超級計算機等高能耗領(lǐng)域。再如，非線(xiàn)性光學(xué)器件，其可取代傳統的半導體器件，來(lái)構成光計算機。它的優(yōu)勢在于光學(xué)模式數較多，有望應用于并行計算領(lǐng)域。除此之外，還有被譽(yù)為“變形金剛”的擬態(tài)計算機，以及以生物形式打造的DNA計算機等。

　　“在傳統計算機的基礎上，下一代計算機逐漸向大數據、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計算等方向發(fā)展，這些構成了我們目前計算技術(shù)的主流發(fā)展方向，相關(guān)技術(shù)有的甚至已經(jīng)應用在日常生活中。”曲日表示，還有一些新的計算方式，目前還處在實(shí)驗室研究階段，離人們的現實(shí)生活有很長(cháng)的距離。

　　迄今為止，世界上還沒(méi)有真正意義上的量子計算機，但世界各國科學(xué)家正以極大的熱情，努力實(shí)現這個(gè)夢(mèng)想。

　　“量子計算機使計算的概念煥然一新，這是量子計算機與其他計算機，如光計算機、生物計算機等的不同之處，其作用遠不止是解決一些經(jīng)典計算機無(wú)法解決的問(wèn)題。”韓正甫表示，“我們說(shuō)量子計算機計算能力強大，目前還只是從理論上給出的預測。至于量子計算機究竟能跑出怎樣的成績(jì)，目前還不得而知。”
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