2000 個量子比特模擬成功！量子計算機已可用於解決問題

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在其他公司都在糾結於如何才能設計包含幾十個量子比特的量子計算機時，D-Wave 的量子計算機已能使用多達 2000 個計算位，而 D-Wave 也因此得以在當代量子計算市場上佔據一席之地。

雖然使用的位數很多，D-Wave 卻一直因其計算設備所採用的不同運算方式，以及未經證明的計算能力而飽受爭議。而就在最近，D-Wave 在《Science》上發表的一篇論文中指出，D-Wave 的計算設備有能力對量子系統進行模擬。

在論文中，D-Wave 的研究人員嘗試設計了一個量子系統的弛豫模型，系統的設置與 D-Wave 計算機本身使用的計算位設定類似。這將允許研究人員對該量子系統進行模擬，進而檢查量子相變。雖然這並不是目前量子計算機的最佳表現，但這篇論文表明它確實能讓研究人員在相關量子系統經歷相變時調整系統參數。

自旋和自旋玻璃

D-Wave 的量子計算機可以被看成是由許多塊可轉向的磁鐵組成，雖然這與 IBM 和 Intel 開發的量子設備中所使用的量子比特組件不同，但 D-Wave 的量子設備確實是以粒子的量子行為為基礎來進行運算的。

在只有一塊磁鐵的情況下，該磁鐵並沒有明確的朝向，但若在同一個空間內存在多塊磁鐵，磁鐵與磁鐵間便會相互作用，而此時磁鐵的轉向也將會改變系統所包含的能量。D-Wave 當前的系統可容納 2048 塊這樣的磁鐵單元，結合相關的控制項，使用者可決定哪些與哪些磁鐵相互關聯，以及關聯性的強弱。

通過這種方法模擬出的量子系統與 D-Wave 計算設備本身類似，屬於「橫向場 Ising 模型（transverse-field Ising model）」。這種模型是一種可轉向磁鐵的立體排位，若將系統內的磁鐵以一種特定的方式排列，使磁鐵在移動時會發生轉向，進而形成反鐵磁體（anti-ferromagnet）。而在無序排列的情況下，系統內的磁鐵則會形成「自旋玻璃（spin glass，磁性由粒子自旋產生）」。雖然自旋玻璃是無序的，但它們具有可具體描述的能量，其中也包括系統的低能態。

雖然 D-Wave 系統中的大部分磁位（由磁鐵構成的計算位）位於一個平面上，但使用者可以調整它們之間的關聯，以便精確地模擬一個三維晶格系統。而在 D-Wave 最新一代的設計中，最適合處理器的晶格系統是一個側面裝有八塊磁鐵的立方體。

雖然這並不是一項具有開創性的工作，但論文第一作者，D-Wave 科學家 Richard Harris 表示：「雖然一個 8 x 8 x 8 的晶格是上世紀 90 年代最為先進的計算機模型，但對公司而言，這項工作代表著 D-Wave 計算水平的重大進步。」

通過嘗試「再解決」已經得到解決的問題，D-Wave 的設備可以在有參照的前提下對系統進行模擬。最終，D-Wave 的模擬結果確實是正確的，它表明系統可以正確設置並模擬一個物理系統，以及從中提取觀測結果。Harris 認為，「這清楚地表明了 D-Wave 的設備有能力對描述該模型所需的物理學進行模擬。」

證明這點尤其重要，因為有許多問題都能被映射到橫向場 Ising 模型中，這意味著 D-Wave 的設備確實可被用於解決各種各樣的問題。

性能問題

當然，D-Wave 的性能問題依然存在。儘管 D-Wave 的設備可使用上千個計算位，但其性能與普通多核計算機不相上下。

但這一問題還有希望解決。 D-Wave 計算機在運算過程中依賴的退火 (annealing) 過程。退火過程會先將設備置於簡單的配置中，並使其處於能量基態（energetic ground state），然後再將設備調整至可得出問題答案的配置。如果退火過程進行順利，系統將會始終保持在能量基態，從而能解決各種涉及到「最小化」的問題。

通過研究「最小化」問題，研究人員可以在有答案的情況下進一步探索退火過程的實質，檢查系統在調整組件間的連接時會如何響應，並探索系統在經歷相變時會發生什麼。Harris 說：「我們想看看系統會如何通過相變過程，進而探尋該過程是否可以優化，以及如果不能優化，問題又出在哪。」

而且，如果 D-Wave 公司能更好地理解其系統中的退火過程，它便能以此發現設計中存在的問題，進而在改進後提升設備的性能。D-Wave 首席執行官，Vern Brownell 表示：「這對下一代 D-Wave 系統的開發來說至關重要。」

D-Wave 當前所面臨的挑戰是如何能及時完成下一代產品的開發。雖然 D-Wave 使用的計算位數量在業界處於領先地位，但 D-Wave 的量子計算設備的性能仍無法超越經典計算機。目前，IBM 和 Intel 正在開發的量子設備比 D-Wave 使用到的計算位要少得多，但在性能上的提升卻十分顯著。D-Wave 究竟能否維持其在市場上的領先地位，真正意義上的量子計算機又能何時問世，目前這些問題還沒有答案。

參考?

arstechnica.com

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