@ 2013.05.15 , 10:12

量子计算机终于比普通电脑快上了那么一点点

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量子处理器

Amherst College的计算机科学家进行了一次量子计算机,与普通电脑之间的较量。让人欣慰的是,量子计算机胜出了。不过别高兴太早,胜利并不是那么乐观。

实验室用的量子计算机名为D-Wave Two,包裹里439个量子位。第一代D-Wave诞生于2011年,总价值一千万美金,含有128个量子位。许多物理学家和计算机科学家都不承认这是真的量子计算机。直到去年,同业研究探索了D-Wave的内部运行机制,为其正名后,批评与猜疑才如潮水般退去。

新的研究,证明了D-Wave Two的量子属性,与此同时,它听起来并没有那么神奇。我们老以为量子计算机一出来就要改变世界,可是技术尚不能满足各位的预想。D-Wave使用量子退火法解决优化问题,不过仅仅是优化问题。一台真正的量子计算机,必须使用量子纠缠。

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冷却器与芯片

煎蛋不时会出现有关量子科学的文章,相信老的蛋友对此话题已经很熟悉。现在的技术不允许我们管理两个以上纠缠的量子位。但是量子退火法可以通过低质量的量子位展现。这也是D-Wave能够管理439个量子位的技术关键,不过D-Wave的芯片仍然需要被冷却到解决绝对零度的温度(0.02K, -273.13C),即便在这样的条件下,量子位(循环的铌)依然是变幻无常的,每一个计算都需要进行上千次,确保其精确性。就算折腾了很多,最后结果也不一定就是最优的那个。

用来实验的两台电脑,一台是D-Wave量子计算机,另一台是搭载Intel Xeon E5-2690 CPU的普通电脑(运行Ubuntu Linux 12.04)。PK包含了三个NP困难测试,其中的一项就是旅行推销员问题,计算过程非常艰难,理论上量子计算机应该擅长此项活动。

结果表明,D-Wave的硬件异常强大,比普通的软件计算速度快4000倍,如果加上最新的芯片,计算速度会快上大约1000-倍。不过比较一下价格,就知道为什么原文会有这样一个标题。量子计算机的价格是竞争对手(那台小服务器)的6666倍。如果花上同样的价钱组装一台超级电脑,它也能够达到D-Wave的水准。不过说真的,量子计算机还是前途无限的。本文译自 Extremetech,由译者 燃烧的冰棒 基于创作共用协议(BY-NC)发布。

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# rico 同学的译稿:

阿莫斯特学院的一位计算机科学家进行了一次量子计算机与普通电脑的速度对决,这在世界上还是首次。量子电脑赢了,开心吧?但它只赢了一点点,而且普通电脑要比它便宜6000倍。

参与测试的量子计算机名为D波2号(D-Wave Two),它内含439量子比特。D波公司在2011年推出了第一款民用量子计算机——D波1号,它含有128量子比特,价值一千万美金。D波公司遭到了很多量子科学家和计算机科学家如潮水般的抨击,科学家们认为D波计算机的量子比特并不是真正的量子。在过去的一年里,专家们对D波1号的内部运行机制进行了研究,批评声这才慢慢消退。

阿莫斯特学院的Catherine McGeoch的新研究一定程度上证明了D波2号确实运用了量子技术。但与此同时,她的研究表明D波2号并没法像大家预期那样,以一台多功能量子计算机的姿态颠覆科学界。D波公司的量子计算机采用了量子退火反演技术(一种量子隔热算法)来解决优化问题——说实话,它也只能解决优化问题。而要想成为一台真正的量子计算机,它必须使用量子纠缠技术才行。

你可能也知道,量子纠缠技术对条件要求之苛刻简直令人发指。目前我们的技术水平只够让一两个量子比特相互纠缠几微秒。而量子退火技术只要用质量更差、噪声更多的量子比特就能实现了。D波公司正是利用了这一点,才成功在一间普通办公室(非实验室环境)搭建了一个由439量子比特组成的系统。不过,D波公司的量子比特芯片需要在接近绝对零度(-273.13摄氏度)的环境下运行。而且这些量子比特(由铌环组成)们由于受到外界电磁辐射干扰,它们的状态很不稳定,每次运算必须得重复验算1000次来保证结果的准确。即便如此,这样得到的演算结果仍然不一定是最优的(虽然一般都是)。

在量子vs普通计算机竞速大赛上,科学家把三个NP(非确定性多项式)难题分发给了多个系统:纯硬件,硬软件混合体,以及纯软件。纯硬件是D波2号计算机,它具有一个Vesuvius 5芯片(439量子比特);硬软件混合体是Blackbox系统,它采用Vesuvius 5芯片和软件的混合体进行运算。软件则是在一台因特尔Xeon E5-2690 CPU电脑(操作系统是Ubuntu Linux 12.04)上运行的三个计算软件 ——CPLEX, METSlib Tabu和Akmaxsat。

NP优化难题的经典例子就是旅行推销员问题:假设一个推销员需要从香港出发,经过广州,北京,上海,…,等 n 个城市, 最后返回香港。 任意两个城市之间都有飞机直达,但票价不等。假设公司只给报销 C 元钱,问是否存在一个行程安排,使得他能遍历所有城市,而且总的路费小于 C?电脑必须在这些城市路线之间找到花费最小的路线。这种计算对电脑来说通常很困难,但从理论上说,量子计算机应该能更快地解决此类问题。

结果表明,当我们让纯硬件解决NP难题时,D波系统大概比普通电脑快了4000倍。在硬软件结合的情况下,Blackbox系统会把问题化整为零,让Vesuvius芯片能够理解。它的计算速度与普通的计算软件相比,只能持平或略好。科学家也对D波公司最新的芯片Vesuvius 6进行了简单测试,发现它会比软件快大概10000倍。

这样的结果带来了更多的新疑问。我们仍然不确定D波芯片的工作原理,不知道我们是否已经让它物尽其用。我们也不知道,和模拟量子退货计算的软件比起来,D波芯片是不是真有优势——或许软件和硬件的速度其实差不多。最后,我们必须牢记,这些软件运行的电脑价值1500美元,而D波2号大概值一千万美元,比普通电脑贵了6666倍。有一千万美元的话,你不如去组装一台超级电脑,它不仅能比D波2号算得更快,而且还能运行普通软件呢。


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