驗明正身，D-Wave 量子計算機原來是“非主流”

D-Wave 說自己要做量子計算機可不隻是這一兩年的事情 ，從 1999 年起，伴随他們事業的争議自然也持續到了現在。即使他們的理論已經變成了現實，賣給洛克希德·馬丁一台 D-Wave One 型，賣給 Google 和 NASA 一台 D-Wave Two 型，關于 D-Wave 是不是真正的量子計算機學界還在争論不休。

“非主流”的 D-Wave

最近，南加州大學的研究者基于對 Google 這台 D-Wave Two 型的研究，在《自然》雜志上發表了一篇

論文

。論文的結論可以這樣了解，D-Wave 是量子計算機，卻也不是。

在自然界中，實體過程的發生并不需要計算，而是基于“自然”條件自然的完成。用數學語言探索這個“自然”條件的過程即是實體學，它當然很複雜。但如果“知其然不知其是以然”的用這個條件直接解決問題，似乎就簡單了很多。比如，在自然界中，高能量的狀态會自發的轉變到低能量的基态，這個過程本身就是一個達到最優結果的過程。

D-Wave 量子計算機正是模拟了這個過程。在計算機中由液氮創造的超低溫環境保持了晶片上多個量子位組成的陣列的低能量基态，并且低溫也創造了一個幾乎沒有熱運動的環境，保證了量子位整列的基态不會被熱交換幹擾。也保證了量子位陣列隻通過隧道穿透效應改變自旋狀态。

D-Wave 實作了兩個目标，一個是實作了“控制”多個量子位的自旋，在 D-Wave Two 機型中，量子位的數量高達 512 個。另外一個就是利用了隧道穿透效應，實作量子退火算法優化計算過程。D-Wave 擅長完成諸如線性規劃，粒子能量計算，蛋白質折疊這樣的計算。

什麼是量子計算機？

到目前為止，電子計算機與理論中的未來計算機使用的都是馮·諾依曼結構，它們之間的不同主要是傳輸與計算的“信号”之間的不同。在傳統計算機中，輸入的信号是某個量的本征态，簡單的說，就是在我們傳統的經典實體學範疇内隻能夠觀測到唯一結果的量，比如一個二進制數字 0110110。當然，經過計算之後，輸出的信号也是這樣。

電子計算機的運算單元中最基本的部件被稱為“門”，是所有邏輯運算的基礎。門有很多種類型，比如與門、或門、非門、與或門、與非門等等。舉例來說，非門最簡單。基于二進制的特性，讓你輸入“0”時，非門會得到結果“1”，輸入“1”時，結果則是“0”。與門稍微複雜一點，能對同時輸入的兩個量作出判斷。輸入“0”、“0”結果為“0”，輸入“0”、“1”結果為“0”，輸入“1”、“0”結果為“0”，輸入“1”、“1”結果為“1”。簡單地說，當所有輸入都為高值，結果才為高，隻要有一個低值，結果就為低。

電子計算機的邏輯電路就是用這樣無數個“門”組成。門組成加法器，進而實作更複雜的運算。如同二進制的特點，電子計算機使用的半導體元件有且隻有兩個狀态：開或閉。理論上真正的量子計算機則完全不同。

在量子力學中，物質的狀态雖然可以通過實驗和計算确定，但是觀察的結果卻不是“絕對”的，每一次觀察可能“發現”不同的結果。如果我們有能力複制“很多”個“狀态”完全一緻的物體，并對它們分别進行觀測，如果都能得到相同結果，那麼說明這個物體處在觀測空間的某個本征态上。而如果觀測結果不同，那麼說明該物體處在該空間一系列本征态的疊加狀态上。

這些不同的結果，就是物質在一系列空間中本征态的疊加，稱為“疊加态”。這種量子狀态在宏觀世界幾乎是不可能觀察到的，“薛定谔的貓”這個思想實驗可以幫助了解這種有點違反常識的現象。如同貓具有“又死又活”這個疊加态，在量子力學描述的世界中，雖然事件的因果是必然的，但是你看到的結果卻有可能是不同的。

量子力學描述了粒子的另外一種特性：自旋。這種特性無法用本征态來表示，除了可以 0 和 1 描述正向和反向自旋之外，這兩者之間還有多種不同的狀态。能夠表現這些疊加态的元件稱為量子位。如同電子計算機中的二進制算位，量子位即是理論中量子計算機的計算基礎。量子計算機對每一個疊加态分量實作的計算相當于進行一次傳統的計算。所有這些傳統計算同時完成并按一定的機率振幅疊加起來，即是量子計算機的輸出結果。果殼的方弦

這麼說

：“不太準确的比方，電子計算機能解決無數個問題，那麼理論上量子計算機就能解決 2 的 n 次方個問題。”

量子計算機可以對疊加态進行運算，但是運算結果本身也是疊加态。隻有針對特定的問題，才能用特定的算法從疊加的結果中抽離出需要的資訊。而且，遵循不确定性原理，任何對量子疊加态的測量都會導緻波函數的坍縮，一旦坍縮就會出現一個确定的狀态，量子疊加态消失，所有在疊加态基礎上進行的計算也都将不複存在。也就是說，造出量子計算機還需要目前不存在的實體學突破。有個流傳甚廣的段子這樣說：“造出量子計算機的成功率大概和造出反重力汽車差不多。”

http://www.ifanr.com/309318/dwave_quantum_computers

為什麼要制造量子計算機？

電子計算機是有瓶頸的。在追求性能的路上，現代半導體晶片的半導體數目激增，為了減小晶片面積，控制功耗，制造大規模內建電路的工藝越來越精密，英特爾已經将制程推進到了 10 納米左右。繼續推進的成本和得到的性能提升實際上已經不成正比，而且在進行某些大規模運算時，即使最強大的超級電子計算機也已經力不從心。而且制程的縮小也不是無限制的。

當晶片中結構的尺寸小于某個值——一般認為這個值現在的工藝已經基本接近，電子的運動就不僅遵循經典實體，開始呈現量子态。舉例來說，這種情況下電子有機率呈現出波的特性，出現隧道穿透效應“穿過”原本不可能穿過的絕緣節點。在宏觀上，半導體晶片會出現漏電等不良結果。量子計算機就是理論上完全超越現階段電子計算機的下一代計算機器。

在量子退火算法的性能方面，其實目前還有争議。在某些超級計算機上使用模拟的量子退火算法計算的速度甚至超過 D-Wave。從原理上講，D-Wave 并沒有利用量子門電路控制量子位來進行計算，它并不是上文所說的理論中的量子計算機。但 D-Wave 實作的量子退火算法确實利用了量子理論描述的效應，它是特殊的“量子計算機”。

原文釋出時間為：2013-7-02

本文作者：馬若飛

本文來源：

cnBeta

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