盡管一般認為量子電腦仍處于研發(fā)階段，加拿大D-Wave Systems卻早已在2011年發(fā)布一款號稱“全球首款商用量子電腦”的D-Wave One電腦裝置。然而，一直有許多批評人士質(zhì)疑它并不是一款“真正的”量子電腦。

　　最近，我得向一名讀者解釋為什么批評人士指稱D-Wave的“量子電腦”并不是“真正的”量子電腦，他最后可能礙于我在這個領(lǐng)域的“權(quán)威”而接受了我的答案。然而，這個問題一直在我的腦海中揮之不去：如果它不是真的量子電腦，為什么D-Wave以此名號行銷？為了追根究底，我向D-Wave Systems處理器開發(fā)副總裁Jeremy Hilton請教了這個問題：“為什么批評人士一直說你們的產(chǎn)品不是真的量子電腦呢？”

　　“量子運算的神圣目標在于打造一款‘通用’的量子電腦——不僅能夠解決任何運算問題，而且其速度更超越當今最快的超級電腦，”Hilton表示，“這就是為什么有人說我們并非‘真正’開發(fā)出量子電腦的理由，因為D-Wave并不是一款‘通用的電腦’。”

　　D-Wave的量子電腦只能解決最佳化的問題，也就是那些能以線性等式表達的問題。這種線性等式中包含了許多變數(shù)，每一個變數(shù)都各有其加權(quán)值(相乘每一變數(shù)的倍數(shù)數(shù)值)。通常，用傳統(tǒng)的“通用電腦”難以解決這種線性等式問題，必須利用多次反覆為變數(shù)找到最佳數(shù)值組合。然而，利用D-Wave的特定應用量子電腦，可在一個單次周期中解決問題。

　　“我們認為，以特定應用的量子處理器作為起點，可說是實現(xiàn)通用量子電腦的最佳發(fā)展方式——它可望成為邁向神圣目標的利基點，”Hilton說：“而這就是D-Wave正在做的一切——我們正是利用量子位元來最佳化問題。”

　　D-Wave在矽基板上的的512超導鈮量子位元。

　　D-Wave目前的量子處理器性能達到了512量子位元，能夠在單次機器周期中以512個(或少于512)變數(shù)解決最佳化的問題。為了解決基于量子位元的最佳化問題，D-Wave采用一種稱為“絕熱”(adiabatic)的不同運算模式——即不至于發(fā)生熱耗損或增益。相形之下，其他研究都致力于開發(fā)一款通用的量子電腦，量子位元在量子電腦中以類似傳統(tǒng)電腦的方式進行處理。

　　“絕熱途徑的目標在于保持量子位元處于最低能量狀態(tài)，即最佳化問題的開始與結(jié)束階段，”Hilton說：“當變數(shù)的加權(quán)值輸入量子位元至激勵狀態(tài)，旋即迅速地放松至最低能量狀態(tài)，從而揭露該變數(shù)的最佳值。”

　　D-Wave 可在安裝于超冷卻載臺上的每片晶圓上取得100顆量子電腦晶片。

　　目前致力于打造通用量子電腦的研究人員受限于除錯方法，他們利用數(shù)千個量子位元，歷經(jīng)了所有的計算過程后，卻僅能確保量子態(tài)的數(shù)值疊加維持正確作業(yè)。而透過絕熱過程，Hilton宣稱，你就不需要除錯了，因為量子位元會自然地放松至最低能量狀態(tài)。

　　“量子位元從激發(fā)到放松的過程，都不需要進行除錯作業(yè)，”Hilton指出，“但采用通用量子電腦的傳統(tǒng)閘極模式，你必須先除錯才能順利進行作業(yè)。”

　　量子電腦發(fā)展方向

　　加拿大Info-Tech Research Group資深經(jīng)理暨基礎(chǔ)架構(gòu)分析師Mike Battista表示，“當我與D-Wave洽談時，讓我印象深刻的是他們都十分謙虛，盡管對于自家公司技術(shù)感到興奮，卻不至于過度承諾其發(fā)展?jié)摿Α！?/p>

　　Battista并指出，D-Wave的開創(chuàng)性進展還不只是在量子運算領(lǐng)域，該公司同時也以新的典范累積經(jīng)驗，例如超導體，它能夠確保摩爾定律的持續(xù)進展。

　　D-Wave處理器開發(fā)副總裁 Jeremy Hilton認為，極熱狀態(tài)下的512Qb的模組可利用10kW冷卻器使溫度極速冷卻至至0.2 mK。

　　“其超導半導體還擁有執(zhí)行量子運算以外的其他優(yōu)勢，例如不至于釋放熱量，”Battista說：“這項技術(shù)還具有呈指數(shù)級迅速升級的潛力，或許可在傳統(tǒng)電晶體達到實體限制時，持續(xù)摩爾定律的下一個新典范。”

　　那么，為什么批評人士指稱這并不是“真正”的量子電腦呢？Battista不僅支持D-Wave的正確發(fā)展方向，還詳細地說明理由：“我知道D-Wave的硬體被混合地進行測試，也瞭解為什么大公司選擇投資另一種方式。但如果有任何一丁點的可能性使其成為下一代基礎(chǔ)技術(shù)，足以勾勒未來幾十年的運算發(fā)展，那么這樣的投資也算值得了。一開始先開發(fā)演算法并發(fā)現(xiàn)可解決量子運算問題的公司，一旦在可行的硬體出現(xiàn)時，他們將會擁有巨大的優(yōu)勢。”

　　最新發(fā)展

　　D-Wave的首款設(shè)計可追溯到2007年，當時只使用了少數(shù)的量子位元(16Qb)，而且也無法擴充，不過使用的同樣是目前所用的方式——在矽基板上載入極冷超導鈮量子位元。從那時起，Hilton及其研究人員們已經(jīng)重新設(shè)計出一款可擴展至任意尺寸的架構(gòu)，利用整合式的可編程磁組記憶體與處理器，取代早期設(shè)計所中由于扇出導致無法擴充的分離電極。

　　D-Ware從2009年首度向Google展示128Qb的新架構(gòu)后，該公司已持續(xù)升級至256Qb，接著是目前的512Qb，將33,000個超導Josephson接面(JJ)電晶體擠進一顆4x7mm的晶圓中。在這樣的晶圓尺寸下，D-Ware可取得100片8寸晶圓。

　　Hilton表示：“我們的用戶基礎(chǔ)持續(xù)擴展，他們正探索需要多少Q(mào)b量子位元的甜密點，以及試驗其問題，包括NASA、Google、美國太空研究協(xié)會(USRA)與Lockheed Martin，以及能夠透過終端機(例如南加大USC校園電腦)存取至NASA/Google/USRA機器的廣大用戶社群。”

　　D-Wave并提供自家介面工具，可為其電腦建立“量子機器碼”，但也提供用于MatLab、C++ 和Python的API/編譯器。目前該公司可取得接近98-99%的穩(wěn)定量子位元率，以及具有可實現(xiàn)自動冗余與恢復損壞量子位元的模式。

　　根據(jù)里昂證券(CLSA)分析師Ed Maguire Ed表示，研究人員們已經(jīng)利用D-Wave的量子電腦開發(fā)出蛋白質(zhì)分折、影像檢測、視訊壓縮、情感分析等諸多應用了。Lockheed技術(shù)長Ray Johnson則表示，或許它還可以立即告訴你，如何透過衛(wèi)星網(wǎng)路上執(zhí)行幾百條軟體程式碼來因應太陽風暴或核爆脈沖——目前像這一類的計算在傳統(tǒng)電腦上可能得花好幾周的時間。

　　D-Wave預計將在2015年稍晚發(fā)布下一代量子電腦，它將會采用ANSYS的工程模擬軟體，進一步降低磁真空，以避免量子位元故障。D-Wave的新款量子電腦將具備完全可重配置與冗余能力，以取代“通用”量子電腦的除錯作業(yè)。該公司還將致力更多先進的演算法與應用，以期解決現(xiàn)實世界的問題，例如編碼量子位元以模擬神經(jīng)網(wǎng)路，從而加速拓展至深度學習與類似的人工智慧(AI)等新領(lǐng)域。