文/陈根 

当前,量子力学发展起来,已延伸出许多相关的分支,量子计算就是最为人们所看好的量子技术之一。拥有高出普通计算机数十甚至数百倍算力的量子计算机,是吸引了无数科技公司、大型学术团体乃至中国政府的研究热点。

当前,各公司,甚至各国——都在争夺量子计算这个新兴技术领域的龙头地位。D-Wave公司就是其中之一。事实上,D-Wave才是全球首家量子计算公司,D-Wave成立于1999年,但直到2007年首台量子退火计算机Orion才宣告成功。八年间,谷歌已经从初创公司成长为科技巨头。

现在,加拿大量子计算系统供应商D-Wave公司又制造欧洲首台超过5000个量子位元的量子计算机,这是一台量子退火(Quantum annealing)计算机,本质上与绝热量子计算的思路相同,该机器旨在处理优化和采样问题,这也是该公司迄今为止计算能力最强大的机器,并首次部署在公司总部之外。

先来了解下什么是量子退火。“退火”本质上是一种将金属缓慢加热到一定温度并保持足够时间,然后以适宜速度冷却的金属热处理工艺。目的是对金属材料和非金属材料降低硬度,改善切削加工性,也可稳定尺寸、减少变形与裂纹倾向以及消除组织缺陷。

简言之,“退火”解决的是材料在研制过程中的硬件工艺不稳定问题,而“量子退火”则是解决组合优化等数学计算中的非优解问题。量子退火就是通过超导电路、相干量子计算(CIM)实施激光脉冲等方式、以及基于模拟退火(SA)的相干量子计算,与数字电路,如现场可编程门阵列(FPGA)等一起实现的量子算法。

量子退火先从权重相同的所有可能状态(候选状态)的物理系统的量子叠加态开始运行,按照含时薛定谔方程开始量子演化。根据横向场的时间依赖强度,在不同的状态之间产生量子穿隧,使得所有候选状态不断改变,实现量子并行性。当横向场最终被关闭的时候,预期系统就已得到原优化问题的解,也就是到达相对应的经典伊辛模型(Ising Model)基态。这就是量子退火机的应用原理。

而对于此次部署在德国于利希研究中心的这台超级量子计算机,以及建立在于利希研究中心的远程云访问D-Wave量子系统,德国于利希研究中心认为此次部署能够在早期阶段就参与量子计算的实际应用。

显然,基于量子计算机有望给药物开发、网络安全、金融建模、天气预报和许多其他领域带来革命性的改变,处理经典计算机无法解决的问题的独特优势,量子计算已经成为远超当前任何一个国家所拥有的关于计算机领域的技术,包括芯片技术,以及当前一直在讨论的区块链技术。因此,作为全球科技前沿的重大挑战之一,量子计算也成为世界各国角逐的焦点。