优于现有量子计算机性能 日本量子退火机真有这么牛？

日本国立情报学研究所等机构证实，其开发的、采用新计算方式的高速计算机，拥有超过现有量子计算机的性能。这台计算机名 为“Coherent Ising Machine”，其设计目的是为快速解决组合优化问题。

这台新计算机的性能真能超过现有量子计算机吗？为此，科技日报记者采访中国科学院量子信息重点实验室教授韩正甫得知，原来，这台 计算机不是传统的量子计算机，而是一种专用量子计算机，又被称为量子退火机，或被称为量子模拟机。

“准确地说，这台计算机是日本科研人员用光学器件构成的量子退火机，和加拿大D-Wave公司用超导器件构成的量子退火机放在一起比较 ，日本的量子退火机在某些指标上相对优越。”韩正甫说。

新研高速计算机实为量子退火机

量子计算机是利用量子力学原理进行运算的计算机，其被视作计算速度远超现有计算机的“梦幻设备”。“当前，量子计算业界的目标是 ，打造一款通用的量子计算机：它不仅能解决任何运算问题，其运算速度还能超越当今最快的超级计算机。”韩正甫介绍道。

实际上，量子计算的概念早在上世纪80年代就已被提出，其基础理论也在上世纪90年代和本世纪初得到突破，但真正意义上的通用量子计 算机却迟迟没有问世。

“研发通用量子计算机的难度非常大，目前仍未有重大突破。”韩正甫说，所以一部分科学家另辟蹊径，研发技术难度相对较低的专用量 子计算机，即量子退火机。

退火的概念源于金属加工领域，是指给金属升温，使其温度高于再结晶温度并维持一段时间，再将其缓慢冷却。所谓量子退火，就是当缓 慢地调控量子的微观体系时，量子状态也会随之发生细微的变化，最后趋于能量最低的基态。这与金属退火现象很类似，故相关量子计算机被 称为量子退火机。

“这方面的典型代表是加拿大的D-Wave公司，他们基于超导器件，构造出量子退火机，可以运行一些特定的算法，这些年得到了比较多的 关注。”中国科学院量子信息重点实验室副教授涂涛说。

受到加拿大D-Wave公司成功经验的启发，原美国斯坦福大学教授山本(Y. Yamamoto)回到日本，与日本电信电话株式会社和日本国立情报学 研究所的日本同事一起研发日本的量子退火机。

“与加拿大D-Wave公司采用超导器件不同，日本的研究组采用了他们熟悉的光学技术。”韩正甫说。

日本山本课题组于2016年在《科学》杂志以《全联通、可编程的100个自旋的Coherent Ising Machine》为题，报道了他们的100个自旋的 量子退火机。接着近年来不断发表相关文章，其量子退火机的自旋数目，也从100个增加到5万个。

日前，山本课题组在《科学》子刊《科学进展》杂志以《实验比较Coherent Ising Machine和量子退火机的性能》为题，报道了他们的5万个自旋的Coherent Ising Machine，并与加拿大D-Wave公司的2000个自旋的量子退火机进行比较，指出前者性能在某些指标上更优秀。

计算性能排名学界尚无定论

涂涛表示，量子退火机之所以受到关注，是因为这种计算机能快速求解组合优化问题，而这正是“机器学习”“深度学习”等计算处理技 术要解决的本质问题。

组合优化问题是指，给定一些约束条件，寻找某个多变量目标函数的极小值，这个极小值也被称为全局最优解。通常情况下，找到全局最 优解非常困难，往往只能找到局部最优解。组合优化问题在现实生活中很常见，如货物运输时要寻找最优路径、或分配大量人员时寻求最优调 度等。

“从计算科学角度来讲，寻找全局最优解的计算难度，随着问题规模增大而提升。”涂涛说，问题规模变大后，组合优化问题就会出现更 多变量，这时目标函数也会变得更复杂，可能会出现大量局部极小值点，使找到全局极小值变得异常困难。

韩正甫告诉记者，一般通用量子计算机难以解决这种问题，若选择现有电子计算机求解组合优化问题，则需要花费非常长的时间。然而， 利用量子退火机，可在一个单次周期内解决问题，耗时相对较短。

对于日媒提出的“采用新计算方式的高速计算机拥有超过现有量子计算机的性能”这一说法，天津大学计算机科学与技术系教授曲日表示 ，在理论上，目前学界还未证明量子计算、经典计算、Coherent Ising machines，哪一个就一定比其他两个更有优势。“只能说，以一般的学术观点来看，日本科研人员在Coherent Ising machines量子计算模型上，针对特定问题，发现了比经典计算机现有算法更优秀的算法，即计算复杂度更小的算法。”曲日说。

量子计算强大仅是理论预测

那么，同样是用量子退火的方式，相比加拿大D-Wave公司的量子退火机，日本研制出的机器，其性能领先在哪儿？

目前，加拿大D-Wave公司构建量子退火机所利用的超导器件，其可控的量子位数目为2000个。与之相比，日本所用的光学器件，其可控的 量子位数目已达5万个。由于后者量子位数目更大，因而可解决更复杂的问题；同时，后者底层器件是光学器件，与加拿大D-Wave公司的超导 器件相比，机器无需低温环境存放，稳定性高、可控性好。

涂涛告诉记者，除了量子计算机、量子退火机，还有许多被寄予厚望的“后补选手”，它们个个“身手不凡”。

例如，超导磁通器件，其可取代传统的半导体器件来构成超导计算机。它的优势在于低能耗，有望应用在超级计算机等高能耗领域。再如 ，非线性光学器件，其可取代传统的半导体器件，来构成光计算机。它的优势在于光学模式数较多，有望应用于并行计算领域。除此之外，还 有被誉为“变形金刚”的拟态计算机，以及以生物形式打造的DNA计算机等。

“在传统计算机的基础上，下一代计算机逐渐向大数据、人工智能、移动互联网、云计算等方向发展，这些构成了我们目前计算技术的主 流发展方向，相关技术有的甚至已经应用在日常生活中。”曲日表示，还有一些新的计算方式，目前还处在实验室研究阶段，离人们的现实生 活有很长的距离。

迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机，但世界各国科学家正以极大的热情，努力实现这个梦想。

“量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机，如光计算机、生物计算机等的不同之处，其作用远不止是解决一些 经典计算机无法解决的问题。”韩正甫表示，“我们说量子计算机计算能力强大，目前还只是从理论上给出的预测。至于量子计算机究竟能跑 出怎样的成绩，目前还不得而知。”