優於現有量子計算機性能 日本量子退火機真有這麼牛？

日前，據日媒報道，日本國立情報學研究所等機構証實，其開發的、採用新計算方式的高速計算機，擁有超過現有量子計算機的性能。這台計算機名為“Coherent Ising Machine”，其設計目的是為快速解決組合優化問題。

這台新計算機的性能真能超過現有量子計算機嗎？為此，科技日報記者採訪中國科學院量子信息重點實驗室教授韓正甫得知，原來，這台計算機不是傳統的量子計算機，而是一種專用量子計算機，又被稱為量子退火機，或被稱為量子模擬機。

“准確地說，這台計算機是日本科研人員用光學器件構成的量子退火機，和加拿大D-Wave公司用超導器件構成的量子退火機放在一起比較，日本的量子退火機在某些指標上相對優越。”韓正甫說。

新研高速計算機實為量子退火機

量子計算機是利用量子力學原理進行運算的計算機，其被視作計算速度遠超現有計算機的“夢幻設備”。“當前，量子計算業界的目標是，打造一款通用的量子計算機：它不僅能解決任何運算問題，其運算速度還能超越當今最快的超級計算機。”韓正甫介紹道。

實際上，量子計算的概念早在上世紀80年代就已被提出，其基礎理論也在上世紀90年代和本世紀初得到突破，但真正意義上的通用量子計算機卻遲遲沒有問世。

“研發通用量子計算機的難度非常大，目前仍未有重大突破。”韓正甫說，所以一部分科學家另辟蹊徑，研發技術難度相對較低的專用量子計算機，即量子退火機。

退火的概念源於金屬加工領域，是指給金屬升溫，使其溫度高於再結晶溫度並維持一段時間，再將其緩慢冷卻。所謂量子退火，就是當緩慢地調控量子的微觀體系時，量子狀態也會隨之發生細微的變化，最后趨於能量最低的基態。這與金屬退火現象很類似，故相關量子計算機被稱為量子退火機。

“這方面的典型代表是加拿大的D-Wave公司，他們基於超導器件，構造出量子退火機，可以運行一些特定的算法，這些年得到了比較多的關注。”中國科學院量子信息重點實驗室副教授涂濤說。

受到加拿大D-Wave公司成功經驗的啟發，原美國斯坦福大學教授山本(Y. Yamamoto)回到日本，與日本電信電話株式會社和日本國立情報學研究所的日本同事一起研發日本的量子退火機。

“與加拿大D-Wave公司採用超導器件不同，日本的研究組採用了他們熟悉的光學技術。”韓正甫說。

日本山本課題組於2016年在《科學》雜志以《全聯通、可編程的100個自旋的Coherent Ising Machine》為題，報道了他們的100個自旋的量子退火機。接著近年來不斷發表相關文章，其量子退火機的自旋數目，也從100個增加到5萬個。

日前，山本課題組在《科學》子刊《科學進展》雜志以《實驗比較Coherent Ising Machine和量子退火機的性能》為題，報道了他們的5萬個自旋的Coherent Ising Machine，並與加拿大D-Wave公司的2000個自旋的量子退火機進行比較，指出前者性能在某些指標上更優秀。