解密量子计算机

 　　北大青鸟武汉宏鹏光谷校区解密量子计算机

　　D-Wave处理器

　　这是我们次可以揭密并展示D-Wave这个黑箱子，是如何驾驭量子力学来解决问题的。席技术官乔迪•罗斯说道。

　　D-Wave是一家从英属哥伦比亚大学独立出来的公司，2007年时就因大胆宣布他们已经制造出世界上台商用量子计算机上过头条新闻。由于很难展示该计算机究竟是如何基于量子特性工作的，当时很多人对D-Wave的声明表示怀疑。但是他们之后继续为驾驭量子计算巨大能力这个挑战性的目标而努力。

　　一般来说，传统计算机采用的是0与1的二进制计算，二进制很容易以电路的开与关，或者高电平与低电平表示。而量子计算则用一个个量子态代替了传统计算机的二进制计算位，称之为“量子位”(qubit)。可以用量子态的正向和反向自旋分别代表0与1。与传统计算机不同的是，量子态可以处于0和1的 “线性叠加态”，这使得同时计算能力比传统计算机有大的提升。但是一直以来更大的问题在于，量子计算机的核心，即用于运算的量子态本身易受到扰动，使得计算失败。所以关键就在于如何找到一种方法，使得量子系统不受外界因素的扰乱。

　　D-Wave的研究表明，使用一种称之为“量子退火”的技术，能够找到8个超导流量子位的基态(基态是指一个体系能量低的状态)，使之不被热运动或者噪声扰乱。既然许多复杂的问题后都可以归结为寻找一个相互作用的自旋系统的基态，量子退火则已经有望解决一些形式的复杂问题了。

　　为实现量子退火，研究人员先调整8个量子位，使其排成一列。由于特定方向的自旋会产生特定方向的磁场，研究人员得以让每一个量子位的自旋和它左右相邻的两个保持同一方向(向上或者向下)。然后，研究人员把两端的量子位调整为反向，并允许中间6个量子位根据它们各自相邻的量子位，重新调整自旋方向。由于外力强制了那两个量子位自旋反向，这一调整过程终变成一个“受阻”的铁磁体阵列。然后，通过向同一方向倾斜量子位并升高能垒，研究人员终使得该系统演化成了一种特殊的受阻自旋阵列，即为基态。

　　量子位可以通过两种方式改变自旋方向：通过量子力学的隧穿机制，或者通过经典的热运动。由于加热会破坏量子位的量子性质，研究人员必须使用一种纯粹通过隧穿效应使得自旋反转的方法。他们使用了某种冷却系统，直到隧道和热运动导致的转换都已经停止，量子位被“冻结”。通过在不同温度下重复这一过程，研究人员就能够确定如何只使用隧道效应完成量子退火了。

　　根据研究人员解释，增加自旋的数量，可以使该系统提供一个物理上实际可行的方法来实现一些量子算法。研究人员目前正应对这一挑战，并计划将这一过程应用于，诸如机器学习和人工智能之类的领域。

　　同时，D-Wave也继续其语不惊人死不休的风格，尽管相信目前并无实际产品问世，其发表于《自然》杂志的 论文也只是论述了原理。但在其官网上，则已经放出了一款被名为D-Wave One的商业量子计算机，处理器将拥有128量子位。没有写价格。(现在的消息是已经卖出了一台)。

　　实际上，D-wave的芯片不是一般科学界所说的量子计算机。

　　一般我们说的量子计算机，是指用量子门电路操纵量子位来进行计算的计算设备。它利用了量子物理基本的性质：量子状态是可以叠加的。打个不太恰当的比喻，传统计算机可以操纵n维的空间，量子计算机操纵的则是2^n维的空间。不过，这个2^n维的空间可不是随便操纵的，只能用所谓“酉变换”来进行，所以也没有想象中什么“同时搜索所有解答”那么强大。

　　D-wave的芯片不是传统意义上利用量子门电路进行计算的芯片，严格意义来讲不是一般说的量子计算机，估计计算能力也没那么强;然而，如果将量子计算机定义为关键的计算过程依赖于量子效应的计算机的话，那么D-wave的芯片可以被称为量子计算机。另外，D-wave的芯片不是的，它只能解决一个特定的问题，不过这个特定的问题应用范围比较广，所以还是比较有意义的。