今天，量子計算公司D-Wave宣布推出其下一代量子退火爐，這是一種使用量子效應解決優(yōu)化和最小化問題的專用處理器。硬件本身并不令人驚訝，因為D-Wave在幾個月前就公布了其細節(jié)，但在本文里，D-Wave與Ars討論了用超過一百萬個單獨的量子設備構建芯片的挑戰(zhàn)。

該公司正在將硬件的發(fā)布與新軟件堆棧的可用性相結合，該軟件堆棧的功能有點像量子硬件和經(jīng)典計算機之間的中間件。

量子退火

由Google和IBM等公司制造的量子計算機是通用的、基于“門”的計算機。他們可以解決任何問題，并且應該針對特定類別的問題顯示出巨大的加速力，否則，只要門數(shù)足夠多，問題就會解決?，F(xiàn)在，這些量子計算機僅限于幾十個門，并且沒有糾錯功能。使它們達到所需的規(guī)模提出了一系列困難的技術挑戰(zhàn)。

D-Wave的機器不是通用機器。從技術上講，它是量子退火爐（quantum annealer），而不是量子計算機。它執(zhí)行計算以發(fā)現(xiàn)硬件量子設備的不同配置的低能態(tài)。這樣，只有將計算問題轉換為芯片可能配置之一中的能耗最小化問題，它才會起作用。這沒有聽起來那么有限，因為許多形式的優(yōu)化都可以轉化為能量最小化問題，包括諸如復雜的調度問題和蛋白質結構之類的問題。

最容易想到的是將這些配置視為具有一系列峰和谷的景觀，而解決問題的方法等同于在景觀中搜索最低的谷。D-Wave芯片上的量子設備越多，它的采樣就越徹底。因此，增加量子位計數(shù)對于量子退火器的效用絕對至關重要。

這個想法非常適合D-Wave的硬件，因為將量子比特添加到量子退火爐要容易得多。該公司目前的產品有2，000種。還有一個容錯性的問題。雖然基于門的量子計算機中的錯誤通常會導致無用的輸出，但是D-Wave機器上的故障通常意味著它返回的答案是低能量的，但不是最低的。對于許多問題，合理優(yōu)化的解決方案可能就足夠了。

尚不清楚的是，該方法是否比傳統(tǒng)計算機上運行的算法具有明顯的優(yōu)勢。對于基于門的量子計算機，研究人員已經(jīng)進行了數(shù)學計算，以顯示量子至上的潛力。量子退火不是這種情況。在過去的幾年中，在許多情況下，D-Wave的硬件顯示出優(yōu)于傳統(tǒng)計算機的明顯優(yōu)勢，只是看到算法和硬件改進的結合消除了傳統(tǒng)方面的差異。

跨世代

D-Wave希望被稱為“優(yōu)勢”的新系統(tǒng)能夠表現(xiàn)出明顯的性能差異。在今天之前，D-Wave提供了2，000量子比特的量子優(yōu)化器。領先的系統(tǒng)最多可將該數(shù)字擴展到5，000。同樣重要的是，這些量子位以其他方式連接。如上所述，問題被構造為機器的量子位之間的連接的特定配置。如果任何兩個之間都不存在直接連接，則必須使用某些量子位進行連接，因此無法用于解決問題。

2，000量子位的機器在其量子位之間總共有6，000個可能的連接，每個平均3個。新機器將總數(shù)增加到35，000，平均每個qubit 7個連接。顯然，這無需使用任何量子位來建立連接就可以配置更多的問題。D-Wave共享的白皮書表明它可以按預期工作：較大的問題適合硬件，并且需要較少的量子位用作連接其他量子位的橋梁。

芯片上的每個量子位均采用稱為約瑟夫森結（Josephson junction）的超導線環(huán)形式。但是芯片上有超過5，000個約瑟夫森結。D-Wave的處理器負責人Mark Johnson告訴Ars：“其中的絕大部分都涉及超導控制電路?！?“它們基本上就像帶存儲器的數(shù)模轉換器，我們可以用它來編程特定的問題。”

為了獲得所需的控制水平，新芯片總共有超過一百萬個約瑟夫森結。約翰遜說：“讓我們將其放在眼前?！?“我的iPhone上裝有一個處理器，上面裝有數(shù)十億個晶體管。因此，從這個意義上講，它并不多。但是，如果您熟悉超導集成電路技術，那就不在曲線范圍了。” 連接所有內容還需要超過100米的超導線材-全部都在一個芯片上，該芯片的大小大約為縮略圖的大小。

盡管所有這些都是使用硅上的標準制造工具制造的，但這只是一個方便的襯底-芯片上沒有半導體器件。約翰遜無法詳細介紹制造過程，但他愿意談論如何更一般地制造這些芯片。

合作伙伴不是臺積電

此工藝與標準芯片制造之間的最大區(qū)別之一是數(shù)量。D-Wave的大多數(shù)芯片都位于其自己的設備中，并且可以通過云服務被客戶訪問；只有極少數(shù)的產品在其他地方購買和安裝。這意味著該公司不需要制造很多芯片。

當被問到有多少臺計算機時，約翰遜笑著說：“我要以這個家伙的情況為例，他預測這個世界上永遠不會有五臺以上的計算機，”然后繼續(xù)說道：“我認為我們可以通過十幾個或更少的數(shù)量級來滿足我們的業(yè)務目標?！?/p>

如果該公司生產標準的半導體器件，那就意味著要制造一個晶圓并每天稱其為晶圓。但是D-Wave認為它已經(jīng)發(fā)展到可以從每個晶圓上獲得一個有用的設備的地步。約翰遜告訴Ars：“我們一直在努力超越您在臺積電或英特爾所能提供的舒適度，您正在尋找我可以得到多少個9”。“如果我們有那么高的良率，我們可能還沒有足夠努力?！?/p>

許多推動力來自于這種新處理器的出現(xiàn)。約翰遜告訴Ars，更高級別的連通性需要一種新的工藝技術。他告訴Ars：“這是大約10年來我們第一次對技術節(jié)點進行重大更改?！?“我們的工廠橫截面要復雜得多。它具有更多的材料，更多的層，更多的設備類型和更多的步驟?！?/p>

除了制造設備本身的復雜性之外，它在毫開氏溫度范圍內工作的事實也增加了設計挑戰(zhàn)。正如約翰遜指出的那樣，每條從外界進入芯片的電線都是潛在的熱量管道，必須將其最小化，這也是大多數(shù)芯片制造商都不會面對的問題。

使軟件更容易

隨著新芯片的出現(xiàn)，控制它的軟件也將發(fā)生重大變化。解決問題的一種方法是充分了解問題的性質和硬件，以了解如何在芯片上設置連接，以便其返回的結果解決問題。但這是非常專業(yè)的知識，并且超出了大多數(shù)公司掌握的專業(yè)知識。因此，D-Wave試圖通過提供一個可以消除一些復雜性的中間軟件步驟來使其變得更容易。

在新系統(tǒng)下，用戶將必須了解如何將他們的問題轉換為“二次無約束二進制優(yōu)化”或QUBO。但是，如果他們能夠做到這一點，他們就可以將QUBO交給D-Wave稱為其“混合問題解決器”的設備，該設備將完成使它在量子退火爐上執(zhí)行所需的一切工作。

這是朝著所謂的量子計算“混合解決方案”發(fā)展的總趨勢的一部分，這種趨勢同時出現(xiàn)在基于門的平臺和退火平臺上。研究人員已經(jīng)認識到，在量子系統(tǒng)上實際上表現(xiàn)最佳的算法部分通常只是較大的計算機科學問題的一部分，而其他部分在經(jīng)典計算機硬件上的表現(xiàn)可能很好，甚至更好。因此，要完全解決問題，將需要經(jīng)典計算和量子計算的混合。就像這里的情況一樣，這可能涉及使用經(jīng)典面來弄清楚如何最好地編程量子面。

對于D-Wave系統(tǒng)，可能性甚至更加復雜。如上所述，在量子退火爐上探索能量最小化場景的挑戰(zhàn)之一是弄清楚如何將足夠的場景適合有限數(shù)量的量子位。并且有很多方法可以潛在地解決該問題。某些問題可以分成較小的塊，然后分別運行。在其他情況下，可以檢查QUBO并找到優(yōu)化它的方法，以使其更好地適合可用的硬件。

其他解決方案包括在量子除法的每一側進行一些計算?？梢栽诮?jīng)典硬件上對場景進行稀疏采樣，然后讓量子退火儀將精力集中在那些看起來很有前途的區(qū)域?；蛘撸梢允褂昧孔油嘶饍x稀疏采樣，然后使用經(jīng)典計算機窮舉探索它返回的任何低能耗解決方案周圍的區(qū)域。

新用戶可以根據(jù)需要擔心所有可能解決問題的方法，但是現(xiàn)在，他們只需將問題移交給混合求解器，讓它為他們解決麻煩。D-Wave希望這將極大地擴展其潛在用戶群。“如果您不必完全將它們付諸于機器語言并成為所有參數(shù)調整的專家，那么要做的工作就少得多，”軟件公司D-Wave副總裁Murray Thom告訴Ars?！皩⑵涞窒麨榛旌锨蠼馄饕馕吨髽I(yè)可以專注于解決問題，完成生產前測試并大規(guī)模解決問題?！?/p>

但是速度更快嗎？

所有這一切之后剩下的顯而易見的問題是，新的硬件和軟件是否最終比純經(jīng)典的解決方案要快。但這是一個比最初看起來更復雜的問題。D-Wave幾乎可以肯定地識別出其硬件性能優(yōu)于傳統(tǒng)算法的情況。但是，如果以過去為指導，這將激勵計算機科學家仔細研究這些算法，并可能找到進一步優(yōu)化它們的方法。性能要求更多的是專家之間的對話，而不是超級計算領域，在該領域，基準被廣泛接受。

也許更重要的問題是，是否有任何企業(yè)能夠找到特定的案例，在這些案例中量子退火為他們提供比現(xiàn)有算法更快的有用解決方案。也許這并不要求D-Wave的機器在每種情況下都比傳統(tǒng)算法更快地返回答案，因為企業(yè)可能只需要在特定情況下解決問題即可。D-Wave返回最佳解決方案的能力可能會帶來優(yōu)勢，因為“真正的好”對企業(yè)和“最佳”一樣有用。

D-Wave非常有信心，這一代，或者可能是下一代，將是使用其硬件的明顯優(yōu)勢所在。但是評估這種說法將意味著等待用戶和計算機科學家花更多的時間在它上面。
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