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东大与东芝双向夹击,向量子计算发力

2019年06月06日 电子电气

关注量子计算的朋友,一定注意到最近东京大学与东芝公司在量子计算方面的新闻发布。前者说的是,东京大学为实现终极光量子计算机的心脏迈进了一步,后者说的是,东芝公司开发出了世界上最快、解决最大规模组合优化问题的“数字煺火”算法——“模拟分歧算法”。

东大与东芝双向夹击,向量子计算发力

这些发明究竟意义何在呢?要回答这个疑问需要对量子计算有一定的理解。

通过许多科普读物,一般读者也知道量子计算是一件了不起的技术。量子计算机的运算速度会远超现有的超级计算机,可用于高速数据库检索、开发功能性材料及药物等各领域。笔者曾在《客观日本》撰文《谁抓住了薛定谔的猫?——日本对量子计算的贡献》,简单介绍了量子计算的原理与处理器以及算法。

量子计算的原理是基于量子力学,即利用量子叠加抑或量子纠缠的原理来计算概率,而非传统计算机的精确计算。所以,量子计算最擅长的是“在海量数据里瞬间寻找最佳组合,更适合于开发新药,人工智能,天气预报等等”。

从物理上讲,量子计算机有原子、离子、超导电路等类型的量子计算机,也有光量子计算方式的量子计算机。与前者相比,后者运算规模巨大,可在室温下、空气中运行,能克服量子噪声极限,适用于光通讯。而且,光量子计算机不需要巨大的冷却设施和真空设施,更便于实际应用。

然而,光学量子计算主要以光子的偏振自由度、角动量等为量子比特,光学的逻辑门操作主要通过偏振片实现。光子是飞行比特,存储光子比较困难。这些条件限制了光量子计算机的开发,很难实现多个量子纠缠。光学目前可以做到10个纠缠光子,进一步往上提高非常困难,成功的几率非常小。

东京大学发明的光量子计算方法,是通过在光路上连成一列具有时间先后的光脉冲,用最小规模光电路结构有效进行大规模运算操作。据东京大学古泽明团队在2017年9月发表在《物理评论快报》上的报告称,他们的方法理论上可处理100万个以上量子比特的大规模运算。这一方法的重点在于:利用环路结构的光电路,无限反复使用一个运算基本单位,即“量子隐形传态”电路,进行大规模量子计算。由于光电路规模可小至极限以及计算效率的提高,该系统避免了利用量子纠缠状态计算方法的缺陷。

2019年5月18日,东大新闻发布称,已开发成功相当于上述方法的心脏部分,即可切换功能的量子电路的基本结构。由此,实现了用最小限度的电路也可自由地合成各种量子纠缠的光脉冲,从而实现高效且通用的量子纠缠操作。这可以说是“终极大规模光量子计算机”方式的计算原理的本质的动作(如下图所示)。

东大与东芝双向夹击,向量子计算发力

可见,这一发明是左右光量子计算机发展的核心技术。

光有物理硬件上的突破还是不够的,必须有软件的配合。而东芝公司的“模拟分歧算法”,使用了古典力学中的分岐现象、断热过程、和埃格德过程这三种现象,并快速找出准确答案。这种技术有很高的并行性能。不仅可以短时间内获得现有技术上困难的复杂、大规模组合优化问题的高精度的近似解,而且可以利用现有计算机的低成本大规模计算功能,从而有可能一举改变目前的优化过程。

其实,这种算法是一种迫不得已的权宜之计。之所以开发这种算法,还在于量子计算机目前的处境所限。

我们知道,量子计算机主要有三种形式,硬件上实现的手段分别是:超导、半导体、离子阱。超导电路的量子计算机,目前很难处理大规模复杂的问题。另一方面,半导体数字计算机容易处理更大规模的问题,但使用的传统算法却难以实现并行化,原则上很难通过并行计算实现高速化。

所以,利用现有成熟的技术来实现同样效能的想法就再自然不过了。事实上,富士通与日立就是基于这样的思路设计出“基于数码退火的量子计算机”。

东大与东芝分别从硬件与软件方面发力,进取量子计算,不啻于该领域的福音。

供稿 戴维
编辑修改 客观日本编辑部

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