日本人研发出了一种新型量子计算机，但性能是不是更优越还不好说

优化问题在科学、工程和商业中普遍存在。许多重要问题(特别是组合问题,如调度、资源分配、路线规划、或社区检测)吸引了研究人员不断寻求更先进的算法。

日前，日本国立情报学研究所等机构证实，其开发的、采用新计算方式的高速计算机，拥有超过现有量子计算机的性能。

量子退火机是什么?

这台计算机名为“Coherent Ising Machine”(CIM)，又名量子退火机，是一种专用量子计算机或称量子模拟机。

现实生活中存在不少组合优化问题：如货物运输的最优路径、分配人员的最优调度等。随着问题规模变大、变量增加，在这种组合优化问题中寻找全局最优解的难度也快速提升。

现有的电子计算机解决组合优化问题需要花费极长时间，而量子退火机可在一个单次周期内解决问题，耗时相对较短。

比起通用的量子计算机，这种量子退火机技术难度相对较低，可以运行一些特定的算法。

退火的概念源于金属加工领域，是指给金属升温，使其温度高于再结晶温度并维持一段时间，再将其缓慢冷却。

所谓量子退火，就是当缓慢地调控量子的微观体系时，量子状态也会随之发生细微的变化，最后趋于能量最低的基态。这与金属退火现象很类似，故相关量子计算机被称为量子退火机。

性能超过现存量子计算机?

中国科学院量子信息重点实验室副教授涂涛表示，这一领域的典型代表是加拿大的D-Wave公司。D-Wave构建的量子退火机，其所可控的量子位数目为2000个。

与D-Wave用超导器件构成的量子退火机不同，这台计算机是日本科研人员用光学器件构成的。

2016年，以原美国斯坦福大学教授山本(Y. Yamamoto)、日本电信电话株式会社和日本国立情报学研究所为首的日本课题组就在《科学》杂志上发表文章，介绍了他们的100个自旋的量子退火机。

今年5月，山本课题组在《科学》子刊《科学进展》杂志发布了标题为《实验比较Coherent Ising Machine和量子退火机的性能》的文章，对两种类型的退火机——D-Wave的2000个自旋的量子退火机和基于光参量振荡器的50000个自旋的测量-反馈相干伊辛机(简称CIMs)进行了比较。比较基于两个问题类别：Sherrington-Kirkpatrick (SK)模型和MAX-CUT。

D-Wave的量子退火机在三次图上的MAX-CUT的表现更佳。

不过，研究人员发现，在高连通性(即每个物理组件与其他组件直接交互的能力)的情况下，CIMs的性能优于D-Wave的量子退火机。

例如，CIMs比D-Wave的量子退火机更快地解决了一个更复杂的问题，速度比其快1000万倍(仅用1.2毫秒，而后者需要耗费的时间约为167分钟)。

同时，底层器件是光学器件的设计与超导器件相比，机器无需低温环境存放，稳定性高、可控性好。

两者的主要区别在于连接性的不同。D-Wave的量子退火机使用量子位元对优化后的问题进行建模，一般来说，这使得只直接连接相邻的量子位元成为可能，从而限制了整体的连通性。然而，CIMs使用的光脉冲可以来回穿梭，使得任何两个感兴趣的脉冲都可以直接相互作用。

参与这项研究的斯坦福大学博士后研究员彼得•麦克马洪(Peter McMahon)表示:“连通性非常、非常重要，我们不应该忽视它。”

然而，麦克马洪指出:“CIMs并不是在每个问题上都比量子退火机更好。”

“事实上，当你在解决一些相互联系很少的问题时，速度会慢一些。这在很大程度上是两台机器各自解决问题的方式造成的(两台机器仍然在4毫秒内解决了这些问题)。”

不过，他认为，重要的是，更多的连接对专门的优化器来说是一个福音。

他说，关键不在于选择一台CIMs还是一台量子退火机，而在于检查这些机器内部有多少连接。

“没有人会抱怨更多的连接。”他说。

同时，对于日媒提出的CIMs性能超过现有量子计算机的说法，天津大学计算机科学与技术系教授曲日表示，在理论上，目前学界还未证明量子计算、经典计算、Coherent Ising machines，哪一个就一定比其他两个更有优势。

“只能说，以一般的学术观点来看，日本科研人员在Coherent Ising machines量子计算模型上，针对特定问题，发现了比经典计算机现有算法更优秀的算法，即计算复杂度更小的算法。”曲日说。

涂涛表示，除了量子计算机、量子退火机，还有使用超导磁通器件的超导计算机、使用非线性光学器件的光计算机、被誉为“变形金刚”的拟态计算机以及以生物形式打造的DNA计算机等。

尽管目前真正的量子计算机似乎还有很长的路要走，但不少人都对此怀有信心。谷歌量子人工智能实验室主任哈特穆特·尼文(Hartmut Neven)认为，量子处理器正以惊人的“双指数速度”赶超传统普通电脑。

Neven表示：“看起来像是什么都还没有发生，然后一瞬间，你突然就进入了一个不同的世界，这就是我们现在正在经历的事情。”

让我们拭目以待量子时代的到来。