量子的飛躍：下一代D-Wave量子芯片計(jì)算速度能快1000倍

　　導(dǎo)讀：量子計(jì)算機(jī)(Quantum Computer)是一種使用量子邏輯進(jìn)行通用計(jì)算的設(shè)備。不同于電子計(jì)算機(jī)(或稱傳統(tǒng)電腦)，量子計(jì)算機(jī)用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的對象是量子比特，它使用量子算法進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。

　　我們也許離真正解鎖量子計(jì)算的真實(shí)力量還很遠(yuǎn)，但是D-Wave承諾通過其顯著升級的量子處理器讓我們一嘗未來的滋味。

　　當(dāng)其明年初發(fā)布時(shí)，這家加拿大公司新的量子芯片將能處理2000量子比特的數(shù)據(jù)(qubits)，幾乎是現(xiàn)有D-Wave 2X系統(tǒng)中處理器可用數(shù)量的兩倍，同時(shí)能夠比前代產(chǎn)品的處理速度快1000倍。

　　D-Wave機(jī)器都是價(jià)值數(shù)百萬美元的電腦，其使用“量子晶體管”來處理數(shù)據(jù)，另外使用液氮來冷卻細(xì)小的環(huán)形鈮到絕對零度。只有很少一些地方在使用這個(gè)系統(tǒng)，包括谷歌和高?？臻g研究學(xué)會(huì)(Universities Space Research Association)、洛克希德馬丁(Lockheed Martin)和洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(Los Alamos National Laboratory)。此外，D-Wave也提供云端服務(wù)允許用戶來訪問它的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　量子計(jì)算仍然大部分處于理論研究階段，其主要研究如何利用的奇怪和違反直覺的方式，在原子水平上開發(fā)非常強(qiáng)大的機(jī)器。對于某些特定任務(wù)，量子計(jì)算機(jī)有潛力比現(xiàn)有的系統(tǒng)要明顯快上許多倍，同時(shí)更加節(jié)能。但是通用的量子計(jì)算機(jī)目前還不存在，D-Wave系統(tǒng)利用不同的原子行為特性(比如糾纏和狀態(tài)疊加等)來解決一系列困難的計(jì)算問題。

　　“我們選擇的方向發(fā)展十分迅速，幾乎每年量子比特的數(shù)目都會(huì)翻一倍。”D-Wave業(yè)務(wù)發(fā)展和戰(zhàn)略合作伙伴Colin Williams說道。

　　提升D-Wave處理器中的量子比特使得系統(tǒng)更加靠近擁有挑戰(zhàn)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的能力，同時(shí)新的處理器也支持添加新的特性(允許進(jìn)行更有效地運(yùn)算)。

　　“從內(nèi)部測試來看，這是一個(gè)非常值得去做的事情。通過利用這種特性我們已經(jīng)加速了1000倍去解決那些存在的問題。”劍橋CW TEC的William這樣說道。

　　如果按照今日的計(jì)算機(jī)來類比的話，D-Wave系統(tǒng)不是通用的計(jì)算機(jī)。

　　D-Wave能做的遠(yuǎn)不止你要求的任一計(jì)算任務(wù)，它被設(shè)計(jì)來是處理一些特定的任務(wù)(像無約束二進(jìn)制優(yōu)化及相關(guān)取樣問題等)。有關(guān)這類優(yōu)化問題可以舉一個(gè)非常簡單的例子，你要制定一個(gè)房子的規(guī)劃，它要盡可能符合你心目中理想的條件、細(xì)節(jié)，但是又要保持在你的預(yù)算范圍中。

　　D-Wave處理器能夠執(zhí)行的特定工作也能應(yīng)用到一系列領(lǐng)域中，特別是訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

　　然而，建立通用的量子計(jì)算機(jī)仍然存在十分巨大的困難，有幾個(gè)尚未解決的工程難題擺在面前。UCL納米電子學(xué)和光子學(xué)教授John Morton通過過去芯片發(fā)展趨勢推算，預(yù)測第一代通用量子計(jì)算處理器不會(huì)在21世紀(jì)30年代之前出現(xiàn)。

　　John Morton提到僅僅一個(gè)計(jì)算器的話并不能稱為計(jì)算機(jī)，因此D-Wave系統(tǒng)并不能說是一個(gè)通用的量子計(jì)算機(jī)。“一個(gè)計(jì)算器能夠解決許多特定的問題。很多人都在使用它，并且你也能在不同的工業(yè)領(lǐng)域中使用它。因此當(dāng)D-Wave展示出很多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中都可以運(yùn)用它們的機(jī)器時(shí)，也許確實(shí)其可以被應(yīng)用到該領(lǐng)域中，但是它仍然只是一個(gè)特定的設(shè)備而已。”

　　雖然谷歌目前并沒有將D-Wave運(yùn)用到自身的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，但是D-Wave處理器的可信度(一直有學(xué)術(shù)界人士質(zhì)疑)在去年谷歌的一個(gè)實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

　　在谷歌的實(shí)驗(yàn)中，處理同樣大小數(shù)據(jù)量時(shí)D-Wave所需要的退火時(shí)間要少幾個(gè)數(shù)量級，下圖所示為模擬退火方法(SA),量子蒙特卡洛方法及D-Wave 2X在執(zhí)行退火操作所用時(shí)間的對比結(jié)果。

　　該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)D-Wave 2X處理器在進(jìn)行相似的操作中比傳統(tǒng)的處理器要快上1億倍，不過Williams說更重要是，這證明了D-Wave的芯片在未來的可行性。

　　實(shí)驗(yàn)中也為我們展示了D-Wave 2X處理器在處理弱-強(qiáng)集群網(wǎng)絡(luò)問題方面的幾個(gè)實(shí)例的布局圖(見下圖)。圖中所示為三個(gè)不同規(guī)模大小的網(wǎng)絡(luò)295,490，945量子比特。每一個(gè)集群由Chimera圖的一個(gè)8量子比特單元構(gòu)成。橙色的點(diǎn)所描述的是一個(gè)強(qiáng)局部場的量子比特，藍(lán)綠色的點(diǎn)代表弱場的量子比特。藍(lán)色線代表強(qiáng)磁耦合，紅色線代表強(qiáng)反磁耦合。注意，由于并不是所有的1152量子比特都具有可操作性，所得到的圖像可能呈現(xiàn)無規(guī)律性。

　　“該實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果并不完全是速度的提升，因?yàn)樵谄渌?jīng)典算法上能夠做到更好。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明量子隧穿真的在D-Wave芯片中發(fā)生著。這說明即便隧穿范圍是有限的，它仍然是一個(gè)有用的計(jì)算工具。”

　　“谷歌同我們一樣明白，當(dāng)我們進(jìn)一步使得芯片更加緊密連接時(shí)，目前運(yùn)行良好的經(jīng)典算法將會(huì)馬上完全失敗。”Williams另外提到。

　　D-Wave已經(jīng)從許多投資者那邊募集了幾百萬美金，投資者包括高盛投資銀行、In-Q-Tel(美國中央情報(bào)局投資部)、Bezos Expeditions(亞馬遜創(chuàng)始人Jeff Bezos)以及BDC Capital、Harris & Harris Group和DFJ。

　　一臺(tái)能夠模仿人類說話的機(jī)器

　　D-Wave芯片太過于專業(yè)化，反而限制了其實(shí)用性，這是關(guān)于這種芯片的另一種批判性觀點(diǎn)，但是， Willams并不贊同這種觀點(diǎn)。

　　“認(rèn)為D-Wave芯片用途過于單一，我不贊同這種觀點(diǎn)。事實(shí)上，該種芯片在一個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用能夠被擴(kuò)展到更多不同的領(lǐng)域”，他表示。

　　Williams未直接提及有哪些公司通過這種方式運(yùn)用D-Wave芯片，他表示，這類處理器被應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域來優(yōu)化交易軌跡，在生物科學(xué)中用于研究蛋白質(zhì)是如何組合的，并構(gòu)建蛋白質(zhì)序列過濾器，以便精確檢測每一個(gè)潛在的蛋白質(zhì)序列，D-Wave芯片的這種應(yīng)用有助于改善檢測恐怖分子名單的安檢服務(wù)，同時(shí)也有助于研發(fā)AI和計(jì)算機(jī)視覺二元分類器。

　　但是，D-Wave芯片的理論基礎(chǔ)是無監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)，為一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供訓(xùn)練數(shù)據(jù)，機(jī)器通過識(shí)別模式進(jìn)行學(xué)習(xí)。Williams認(rèn)為，D-Wave處理器將產(chǎn)生巨大的影響，也許能夠解釋Google在該技術(shù)領(lǐng)域的研究興趣。

　　“我們認(rèn)為，機(jī)器學(xué)習(xí)與AI是這種機(jī)器最優(yōu)的應(yīng)用案例。D-Wave芯片將有可能為機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，尤其是為無監(jiān)督生成學(xué)習(xí)研究，帶來一場徹底的革命”，他認(rèn)為。

　　“利用這種量子芯片，我們將有能力解決機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域先前出現(xiàn)的極具挑戰(zhàn)性的問題——‘如何使無監(jiān)督生成型機(jī)器學(xué)習(xí)能夠有效地投入到實(shí)際應(yīng)用中?’”

　　如果能夠解決上述問題，你將能夠運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)許多不可思議的突破。通過訓(xùn)練機(jī)器，你能夠使它生成新的數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計(jì)學(xué)層面來講，新生成的數(shù)據(jù)能夠達(dá)到與用于訓(xùn)練機(jī)器本身的數(shù)據(jù)高度相似的效果。

　　Williams預(yù)測，未來的D-Wave芯片能夠訓(xùn)練機(jī)器，例如用繪畫大師的作品來訓(xùn)練機(jī)器，使機(jī)器能夠生成具有藝術(shù)價(jià)值的新作品，或者使機(jī)器能夠高度逼真地模仿人類的聲音。

　　D-Wave已經(jīng)在芯片上運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建出一種玻爾茲曼機(jī)，一種隨機(jī)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也可以稱之為“量子玻爾茲曼機(jī)”，Willams表示，“這種量子玻爾茲曼機(jī)在本質(zhì)上有別于先前的機(jī)器學(xué)習(xí)模型”。

　　Williams認(rèn)為，D-Wave芯片，或其他類型的量子處理器不會(huì)取代一些經(jīng)典的計(jì)算機(jī)芯片，反之，將會(huì)與這些經(jīng)典的芯片共同被用戶使用。

　　“我們認(rèn)為，量子計(jì)算不會(huì)取代經(jīng)典的機(jī)器，這種計(jì)算方法將通過強(qiáng)化經(jīng)典的系統(tǒng)來改變世界”，Williams表示。

　　例如，你能夠獲取一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的輸出信息，將其作為輸入信息運(yùn)用到一種啟發(fā)式搜索算法中。核心觀點(diǎn)是這種量子算法有助于你接近而不能夠找到一種好的解決方案，而一種經(jīng)典的算法則能夠有助于最終找到這種解決方案。

　　我們也可以從一些預(yù)處理技術(shù)中選取一個(gè)難以解決的問題，運(yùn)用這種量子芯片將這個(gè)問題分解為一系列小問題。

　　Williams表示，除了能夠處理2000量子比特，D-Wave將基于我們學(xué)習(xí)到的所有經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種“下一代芯片”。

　　關(guān)于新型D-Wave芯片的更多詳細(xì)信息

　　針對那些對實(shí)質(zhì)問題感興趣的專業(yè)人士，Williams對2,000量子比特芯片的性能做出了深度解說。

　　每一個(gè)D-Wave處理器的設(shè)計(jì)宗旨是用于量子退火，即運(yùn)用量子物理學(xué)知識(shí)找到一種消耗能量最小的狀態(tài)，這將有利于解決優(yōu)化問題和上述提到的相關(guān)樣本問題。關(guān)于這種新型芯片如何更加有效地控制退火過程，Williams也做出了詳細(xì)解釋。

　　經(jīng)過參考哈密頓公式(在給出一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)的條件下，運(yùn)用該公式能夠在該系統(tǒng)中輸出能量)，他表示，“這種新型芯片不僅僅能夠處理更多的量子比特，我們已經(jīng)運(yùn)用它改變了許多其他特征。運(yùn)用先前的D-Wave芯片，我們只能夠觀察一種退火軌跡。目前，我們只能基本做到閉合初始哈密頓回路，打開最終哈密頓回路”。

　　現(xiàn)在運(yùn)用能夠處理2,000量子比特的芯片，我們將能夠更好地控制參數(shù)，控制軌跡。

　　我們能夠運(yùn)用很多特征中止退火過程，并且能夠快速加速這一過程。不再需要以一種恒定的速度執(zhí)行退火這一過程。

　　這將是非常有趣的，因?yàn)槟隳軌蛟谕嘶鹫谶M(jìn)行的過程中，探測量子的狀態(tài)，這是量子玻爾茲曼機(jī)的一個(gè)極為重要的特征。

　　我們先前也擁有一個(gè)快速退火生成系統(tǒng)，能夠在20微秒內(nèi)操作完成退火過程。不過，運(yùn)用我們的新系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在5微秒能完成這一操作。