量子计算机即将到来？
这是我们第一次可以揭密并展示D-Wave的这台设备，是如何驾驭量子力学来解决问题的。
首席技术官乔迪•罗斯说道。
D-Wave是一家从英国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第一台商用量子计算机上过头条新闻。因难于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工作着。

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)。量子态除了以正向和反向自旋代表0与1外，还存在两者之间的多种状态，称之为“叠加态”，这使得同时计算能力比传统计算机有极大的提升。但是一直以来最大的问题在于，量子计算机的核心，即用于运算的量子态本身极易受到扰动，使得计算过程和结果报废。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，一种称之为“量子退火”的技术，能够用以找到8个超导量子位的基态，使之不被分子热运动或者噪音扰乱。许多复杂的问题最后都归结为寻找一个相互作用的自旋系统的基态，而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，研究人员首先调整8个量子位，使其排成一列。由于量子自旋会产生有方向性的磁场，研究人员得以让每一个量子位的磁场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另外两个，重新调整自旋方向。由于外力强制了那两个量子位反向旋转，这一调整过程最终变成一个“受阻”的磁体阵列。然后，通过向同一方向倾斜量子位并升高能垒，研究人员最终使得该系统导向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：通过量子力学隧道机制，以及通过经典热运动的性质。由于加热会破坏量子位的量子性质，研究人员必须展示一种纯粹通过量子隧道效应，使得自旋反转的方法。他们对系统施以激光冷却，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，并计划将这一程式应用于，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，现在的售价，只要一千万美元哦！

D-Wave公司官网产品示意图。

D-wave的量子计算机不可能那么坑爹……吗？
方弦 科学松鼠会成员，信息学硕士生
这几天炒得很热的，国内有自制蘑菇云，国外有D-wave的量子计算机。貌似果壳（和松鼠会资讯）也要做一做这个，我就先不泄漏什么，大家可以等着看。
不过嘛，既然要写这个日志，还是要讨论一下D-wave他们家的东西的。我本来想说简单介绍一下的，不过量子计算机这种东西太复杂了，简单介绍不一定容易明白，大家就将就一下吧……
话说大自然是不喜欢高能量的东西的，因为高能量往往意味着不大稳定。所以，随便一个物理体系，如果你不给它什么能量的话，它慢慢慢慢就会到达最低能量的状态，学名叫基态。
说到这里的话，学计算机的人可能就开始想到些什么了：这不就是解了一个最优化问题么？嗯，正是这样，自然就是不断在解各种各样的最优化问题。
这里无节操广告一下，关于自然解优化问题的一个例子，可以参考松鼠会的文章：http://songshuhui.net/archives/33649
言归正传，D-wave的Rainier芯片，也就是D-wave One里的芯片，其实就是干的这个活。芯片就是一个物理体系，它的能量依赖于一系列参数，还有它内部的128个量子位的0-1取值。它能优化的函数只能是关于这些量子位的一个二次函数，不过这个问题已经很不容易了。更精确地讲，这个叫QUBO（我希望没有记错）的问题是NP-hard的。如果能高速度解决它的话，那很多问题都可以迎刃而解。
对于一般的物理体系来说，能量的降低是通过热扰动来进行的。通过热扰动，物理体系可以以小概率“借到”足够的能量，跳出局部最优达到全局最优。不过问题是，要是局部最优“很深”，也就是说要借的能量很大才能跳出去的话，仅仅通过热扰动就需要非常长的时间。大概也是这个原因，一般也没人去用真实的物理系统去优化某个函数。当然，这种热扰动的物理直觉可以用来做优化问题的heuristic，这里就按下不表，大家可以期待《人算不如天算》这个系列的新文章，如果我还能写得出来的话……
好了，对于量子体系，它们有一种特殊的量子过程来干这个事情，那就是量子隧穿效应。它可以无视“借”能量的要求，直接就“穿越”过去了……好比从山这边到山那边，热扰动干的是晃来晃去，而且喜欢下山多于喜欢上山，但是因为它真的喜欢晃来晃去，所以也有机会跑到山的另一边。而量子隧穿，则是看见山就打隧道，一招开山掌，还不用力气……然后打完隧道就直接晃过去，哪里能量低就更喜欢呆在哪里。
于是，D-wave就是借助量子隧穿效应来进行优化计算的。这当然比经典下的要快多了，它会穿隧道么。最新的那篇nature论文其实也就是在说，D-wave的技术的确利用了量子效应。
但是，它有多快呢？目前没有证据表明，D-wave的芯片可以在多项式时间里解决QUBO。它的计算时间依赖于基态和第二低能的态的能量差，但我们对于这个能量差没有一个很好的界，于是也就不太能证明这个事情。不过按照实践的情况来看的话，还是比传统的计算机要快得多，当然快多少我们具体是不知道的。
但是D-wave最坑爹的地方还不在这里。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。它利用了量子物理最基本的性质：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。
顺便说一下，这个貌似也是对量子计算机的误解之一。量子计算机是不能同时搜索所有解答的。它可以对混合态进行运算，但是运算出来的结果本身也是混合了起来的。只有对特定的问题，我们才能用特定的算法从混合的结果中抽取我们需要的信息。
至于D-wave的芯片，正如前面所说，它利用的是量子隧穿效应，它的这项计算技术名为量子退火，与量子门电路是非常不同的。比如说，能在量子门电路上运行的Shor算法（就是能快速分解大合数，搞出来了会对各种密码系统，比如说椭圆曲线、离散对数和RSA，有威胁的那个算法），实际上不能在D-wave的芯片上运行。而量子退火与量子门电路的计算能力是否等价，至今仍然没有定论。不过一般的意见是认为量子退火的计算能力比不上量子门电路的计算能力。
不过这也不是说D-wave的芯片一无是处，起码它在解决QUBO上的速度是独树一帜的，而QUBO这个优化问题本身又可以在人工智能等方面找到应用。据说Google就跟D-wave合作过，用D-wave的量子退火芯片来做图像识别，貌似效果还不错。而且如果我们考虑到可以进行量子门电路计算的量子计算机设计，能利用的量子位数目至今不超过10，能分解的最大的合数是15的话，那将D-wave的芯片看成是量子物理在计算方面目前最顶尖的应用，那其实也说得过去。
以上概括一下，其实就是：
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的芯片不是万能的，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。
最后插播新闻：D-wave卖出了第一台D-wave One，这次的冤大头是Lockheed Martin公司，不知道他家买这个是要干啥呢？