量子計算機研制進展

   本人在2010年就曾在科學網上介紹D-Wave量子計算機（D-Wave系統是量子計算嗎？（100123））8年過去了，大公司都在量子計算領域進行探索。超級計算機按老路走下去，已經碰到瓶頸了，不能靠扎錢走下去了。而另一方面，計算機應用，譬如人工智能、大數據卻叫得很響，這些應用的基礎設備必須跟上。而現在看來，量子計算機是有希望的。中國這種舉國科研體制不應該缺席。否則，我們又不得不跟人跑了。

   據IEEE Spectrum 2018/07介紹，日本富士通公司設計了硅片上的計算機結構，稱之為數字退火器，可以用在量子計算機中。今年5月富士通開始在日本提供云服務，以解決組合優化問題，譬如尋找分子模式的相似物，以加速藥物發現。這種服務需要提升量子計算機。加拿大本拿必的D-Wave系統2000Q量子退火計算機正走向市場，據新聞報導將在兩年內引進5000量子位。量子退火是對負責優化問題尋找優化解的一個數學工具，當可能的回答太多，以致傳統的計算幾乎無法處理時就顯示了量子計算的優越性。

   同時，公司和研究所也在企圖創建通用的量子計算機。他們用量子門處理量子位，用比量子退火機更加復雜的算法。但是，已知這些通用計算機的設計和高度可控的超導環境的需求，這些機器能支持的量子位數現在還比較少，一般也就50量子位，而D-Wave可達2000量子位。

   IBM和微軟采用量子門方案，而谷歌則用量子門和量子退火二者。2016年IBM做出5量子位的超導量子計算機，為研究者在線使用，以后做到16量子位，現在到20量子位已可使用。在2018年國際消費類電子產品展覽會上，英特爾公布了49量子位的超導量子測試芯片，叫做Tangle Lake。

   所有這些方案都有一個潛在的問題，就是史無前例的計算功率需求，也就是代價很高，價格很貴。為了能保持0或1的狀態，它要求保持接近絕對零度，而且沒有磁性干擾、溫度噪聲、機械振動，這是量子計算的基礎。

   富士通和多倫多大學合作，開發了數字退火器，和現有的量子退火計算機，譬如D-Wave有所不同。后者要求一個完全可控的冷卻環境。富士通用傳統的半導體工藝，在室溫下工作，裝成一個小的電路板，插到數據中心的架子上。

   數字退火器是一個專用芯片（見圖），用非亨諾伊曼體系結構，在解組合優化問題時極小化數據移動。它包括1024個按位更新塊，帶存儲權值和偏移的片上存儲器，完成位翻轉的邏輯塊和接口及控制電路。

   和經典的計算機不同，數字退火器不需要編程，而是把問題上傳成權重矩陣的形式，把它轉換成能量場景。富士通組建了在溫哥華的量子軟件團隊，以提供系統軟件和用戶軟件包，用戶可以自己書寫自己的能量場景。

   為了解決一個問題,每一個位塊通過存儲器中的1023個權重用其一對多的連接。數字退火器用此并行性基于權重矩陣和偏離向量去設定許多可能的狀態。然后，位塊共同運行隨機搜索。這個隨機搜索是最小化一個數學函數值的估計技術，以產生該過程的下一個候選序列。這個過程一直進行到能量場景中最低狀態為止。

   東京技術學院物理教授Hidetoshi Nishimori，也是提出量子退火的第一篇文章的作者之一，解釋說，數字退火尋找較好解從一個狀態到另一個狀態的跳變類似于一個人在一個有山有谷的復雜場景中游蕩，尋找最低點。在量子退火中，同時考慮所有可能的狀態，高度并行地尋找最優解。

   基于CMOS的帶有1024位塊的數字退火能夠比帶有2000量子位的D-Wave差不多或者更有效嗎？也許是這樣。Nishimori說，在富士通機器上，位塊之間的權重使問題表達比D-Wave系統有更高的精確性。但是，長期運行后，量子退火可能由于超大質量的量子并行性而超過數字退火。富士通打算明年推出8192位塊的數字退火，以后將達到1百萬位塊的機器。

富士通和多倫多大學合作，正在研究數字退火器的應用。今年晚些時候，公司將出售在線安裝的數字退火服務器、塔器和芯片。富士通還將于年底前在北美、歐洲和亞洲鋪開云服務，到2022年投入1千億日元（相當于9億美元）。

從上分析可以看出，中國的介入可能已經是時候了，首先是要建立一支隊伍探索量子計算機。量子計算和量子通訊、量子保密是不一樣的。不知道我國是否已經加入到這個全世界的研制隊伍中來了？要想原始創新，必須趕快，或者可能是已經太晚了。