揭秘谷歌量子計算機：構建機器學習系統

導語：美國《連線》雜誌上周五發表文章稱，谷歌正在使用D-Wave“量子計算機”來構建機器學習系統，以幫助提升機器的語義分析能力。但文章同時指出，D-Wave還稱不上是“通用量子計算機”，因為它處理的任務還非常有限。

以下是文章全文：

谷歌購買了一台D-Wave，全球最大的軍火商雒克希德-馬丁公司也買了一台。但我們仍不同意它們所購買的就是所謂的量子計算機(通用量子計算機)。

D-Wave公司號稱其生的D-Wave是世界上第一台量子計算機，是一個開創性的創造，代表未來方向。但很多科學家對此持不同看法，他們認為D-Wave的機器並非未來世界計算的制勝法寶。上世紀80年代以來，計算機專家就開始探尋未來計算的真諦。

USC：D-Wave是量子計算機

毫無疑問，這場爭論還將持續。美國南加州大學(USC)的研究人員今天發表一篇論文，指出D-Wave是一台量子計算機。USC為洛克希德-馬丁公司的D-Wave量子計算機提供管理和系統運維服務。

USC教授丹尼爾·李達(Daniel Lidar)的研究團隊稱，他們至少證明了D-Wave的計算方式不是業界所傳的“模擬熱處理”模型。“模擬熱處理”模型服從經典物理學定律(也就是日常生活中的物理定律)，而不是更難以捉摸的量子物理學特性。

USC研究團隊這篇名為“可編程量子熱處理實驗簽名”的論文首次發表於備受推崇的學術期刊《自然通訊》。量子熱處理是量子領域的一種計算模型。根據李達的觀點，他率領的團隊取得的研究成果表明，D-Wave系統的運作方式與量子熱處理模型“非常一致”。

量子計算機的難題

1985年，英國物理學家大衛·杜斯(David Deutsch)首次提出了量子計算機模型。在他的描繪中，量子計算機的運行遵循複雜的量子力學原理，通過控制原子或小分子的狀態來記錄和運算信息。在傳統計算機中，一個晶體管存儲一個“比特”的信息；如果該晶體管處於打開狀態，那麼它代表的數值就為“1”，反之處於關閉狀態時則為“0”。而在量子計算機系統中，在所謂的量子力學疊加原理的作用下，同一時間可以同時存在上述兩種狀態。

一個“量子比特”(qubit)可以同時存儲“0和“1。如果創建兩個“量子比特”，就可以一次性存儲4個數值：00、01、10和11。依此類推可以看出，量子計算機是一種比傳統計算機性能強大得多的計算機。

難點在於，創建一個“量子比特”是一件非常困難的事。當你從量子系統讀信息時，一瞬間該“量子比特”就消散了。換句話說，這個“量子比特”變成了一個普通的“比特”，只擁有一個單位的值。因此它已不再是一台量子計算機。

D-Wave量子計算機的運行方式

業界流傳多種方法可解決這個難題。D-Wave創始人及首席技術官喬迪·羅斯(Geordie Rose)相信，他們找到了其中的一個方法。2007年，D-Wave公司宣佈研發出第一台16位量子計算機。現在該公司最先進的量子計算機為512位，谷歌購買的也是這一種。

根據D-Wave公司介紹，512位量子計算機包含512個超導電路，每個電路都是一個微小的電流迴路。D-Wave公司稱，這些電路被冷卻到接近對零度，達到一個量子狀態，此時這些微小迴路中的電流可以同時順時針和逆時針流動。當用戶向量子計算機發出任務請求時，計算機算法會將它們映射到超導電路，然后由它們執行計算。

但是，部分科學家對D-Wave量子計算機的工作方式表示懷疑。美國加州大學戴維斯分校數學系教授格雷格·庫珀伯格(Greg Kuperberg)就曾表示：“D-Wave的技術是一個消極意義上的謎團。”USC研究團隊的論文或許讓人們更接近了D-Wave的真相，但對於其運行方式，USC並沒有在該文中說明，那仍然是個秘。

D-wave與量子物理學“非常一致”

USC研究團隊在這篇論文中唯一肯定的是，D-Wave不使用模擬熱處理，它是計算機數學運算的基本方式之一。李達稱，模擬熱處理類似於在廣闊的景觀中尋找最低點。

李達補充道：“我們稱之為能源景觀。有一個解決方案就躲在景觀背后的某處，你可以想象該解決方案就藏在表面的最低點，而你打算找出這些最低點。”要尋找這些最低點，需要通過隨機遍歷景觀，經歷上山和下上的過程，知道最終找到最低的谷底。

這種方法只依賴於經典物理學，與量子物理學無關。但李達稱D-wave與量子物理學“非常一致”。量子熱處理與模擬熱處理相似，只是當模擬熱處理需要跨越山峰時，在量子熱處理過程中可以穿過它們。他表示，量子熱處理利用了量子的“隧道效應”，這就像一個量子快捷方式。他在報告中小心翼翼地描述D-Wave與量子熱處理的關係——他們沒有證明D-Wave採用了量子熱處理，只是二者的有非常高的一致性，看起來一定是使用了量子熱處理。

D-wave還不是通用量子計算機

但是，即便他們證明了D-Wave採用了量子熱處理模型，但這並不能證明它就是一台量子計算機。當科學界人士聽到量子計算機這一名詞時，他們傾向於認為它指的是“通用量子計算機”，可以處理任何任務。但是，D-Wave不能達到這一點，它只是面向特定的計算。但李達認為，D-Wave背后的理念可以被用來開發通用量子計算機。

不管怎麼稱呼它，D-Wave的確是有用的，可以幫助解決廣為人知的組合優化類問題，包括基因序列分析和蛋白質摺疊的風險分析等。

D-wave被谷歌用於構建機器學習系統

谷歌上月宣佈引入D-Wave時表示，將用它幫助推進機器學習，譬如借助它創建可以模擬人類學習過程的計算系統。

谷歌工程主管哈特穆特·內文(Hartmut Neven)在一篇博客文章中寫道：“我們相信量子計算可以幫助解決一些最具挑戰性的計算機科學問題，特別是在機器學習方面。機器學習的關鍵在於創建更好的模型，使之能夠做出更準確的預測。”

值得注意的是，谷歌實際上已開始稱D-Wave為量子計算機。這不奇怪，因為谷歌剛招聘了USC這篇論文背后的作者之一，塞爾吉奧·波伊克斯歐(Sergio Boixo)。目前谷歌的D-wave量子計算機放置在距該公司總部不遠的美國宇航局艾姆斯研究中心的量子人工智能實驗室。在谷歌，語義分析工作的重要性不言而喻，而這正是D-Wave的所長。(朱飛)

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