谷歌將開發第三種量子計算機——量子退火方式
2021-01-19 JC技術船谷歌正在獨自開發第三種量子計算機。第一種是2013年引進的加拿大D-Wave Systems的量子計算機，第二種是2014年開始開發的量子門方式量子計算機。谷歌最近宣布將新開發另外一種——量子退火方式的量子計算機。
谷歌在6月27～30日於美國洛杉磯舉行的量子退火相關學會「Adiabatic Quantum Computing Conference（AQC） 2016」上，公布了新型量子計算機「Quantum Annealer v2.0」的開發計劃等（圖1）。另外，谷歌在AQC 2016上還公布了將量子計算機與現有計算機結合使用的計劃，以及幾年後實現配備50個量子位的量子計算機的方針等。
上半部分是量子門方式，下半部分是量子退火方式的發展藍圖
谷歌在AQC 2016上公布的內容很多，筆者將一一進行詳細介紹。首先是新開發量子退火方式量子計算機的話題。
獨自開發人工智慧用量子計算機
量子計算機的方式有IBM、微軟及英特爾等推進開發的「量子門方式」，以及基於東京工業大學西森秀稔教授與門脅正史提出的理論、由加拿大D-Wave Systems在2011年實現商用化的量子退火方式。
通常認為，量子門方式只要開發出算法，就可以解決很多問題。而量子退火方式是解決「組合優化問題」的專用計算機，通過在設備中實際誘發量子退火這一物理現象來解決問題。組合優化問題是「機器學習」和「深度學習」的計算處理，如果能快速解決這一問題，就能夠實現更先進的人工智慧。
谷歌公布了2013年以來有關量子計算機的各項舉措（表1）。
表：谷歌有關量子計算機的主要舉措
首先，谷歌於2013年5月與美國宇航局（NASA）合作成立了「Quantum Artificial Intelligence Lab」（QuAIL，量子人工智慧研究所），引進了D-Wave的量子退火方式量子計算機。谷歌於2015年12月發布驗證結果，稱「D-Wave 2X」解決組合優化問題的速度是現有計算機的1億倍。
2014年9月，谷歌宣布與美國加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校（UCSB）的John Martinis教授的團隊合作，開發量子門方式的量子計算機。谷歌於2016年6月9日公布了利用這種量子門方式的量子計算機模擬量子退火的技術。
此次谷歌宣布正在新開發量子退火方式的量子計算機「Quantum Annealer（量子退火） v2.0」。這是專門用於量子退火的計算機。也就是說，谷歌正在開發量子門方式和量子退火方式兩種方式的量子計算機。
減小噪聲，改善量子位的性能
此次發布的量子計算機之所以在名稱中加入了「v2.0」，是因為可改善現有D-Wave量子計算機的弱點。谷歌的Yu Chen（圖2）在AQC 2016上發表演講時介紹稱，Quantum Annealer v2.0與D-Wave的量子計算機相比，將在(1)量子位的「相干時間」、(2)量子位間的連接性、(3)系統控制性這3點上有所改善。
量子位是指「0」和「1」以重合狀態同時存在的位元。Quantum Annealer v2.0將採用UCSB的Martinis教授針對量子門方式開發的基於超導電路的量子位技術。谷歌認為，大幅降低超導電路存在的「1/f噪聲」，可以使量子位的「相干時間」比現有D-Wave的量子位更長。
相干時間是指量子位「0」和「1」以重合狀態同時存在的時間。據Yu Chen介紹，如果能延長量子位的相干時間，就可以大幅提高量子計算機的性能。
降低超導電路中的「1/f噪聲」是美國威斯康星大學麥迪遜分校的Robert McDermott教授等人的研究成果。McDermott教授的團隊指出，超導電路中存在的「1/f噪聲」的產生原因在於電路上存在的氧分子。通過在製造電路時去除氧分子，可以降低「1/f噪聲」。
還改善量子位的連接性
Quantum Annealer v2.0還對D-Wave量子計算機所存在的量子位連接問題進行了改善。
量子退火方式的量子計算機通過接合量子位，構成模擬特殊磁性體，也就是「自旋玻璃」的「三維易辛模型」。並根據求解三維伊辛模型中各個自旋之間的相互作用（自旋之間的相互作用是「鐵磁性」還是「反鐵磁性」）的優化問題的模式，實際誘發「量子力學退火現象」（量子退火）。誘發量子退火後的量子位數值就是問題的解。
一般來說，所有量子位最好相互連接，以便自由構成自旋間相互作用。但是，D-Wave的量子計算機的形狀為只有部分量子位相互連接，這被稱作「Chimera Graph」。有看法認為，Chimera Graph是D-Wave的量子計算機發揮不出性能的一個理由。
谷歌這次發布的Quantum Annealer v2.0通過調整量子位的形狀，提高了量子位間的連接性（圖3）。
在量子位少的時候，可1對1連接所有量子位。量子位增加時，也可實現比D-Wave的Chimera Graph連接性高的「Weaving」及「Neocortex」等圖形結構（圖4）。
超級計算機與量子計算機並用
谷歌量子人工智慧研究所的負責人Hartmut Neven（圖5）在AQC 2016的演講中，公布了該公司將組合使用量子退火方式量子計算機與傳統方式超級計算機的方針。傳統方式的超級計算機執行高速探索算法「Parallel Temperaing (平行調整法）」，將其與量子計算機組合（圖6）。
谷歌的Neven在接受本站採訪時表示，「在組合優化問題中，有傳統方式計算機能高效解決的問題，也有使用量子退火方式量子計算機能更高效解決的問題。通過把這兩種方式組合，可以比原來大幅提高解決組合優化問題的速度」。
展示量子計算機的優越性
現在也任職於谷歌的UCSB的Martinis教授（圖7）在AQC 2016的演講中宣布，谷歌幾年內將實現配備50個量子位的量子計算機，以證明量子計算機的性能超越傳統方式所有超級計算機性能的「Quantum Supremacy」（圖8）。
表明量子計算機超越性的「Quantum Supremacy」
就在幾年前，量子計算機還被視作「未來」技術。而谷歌已開始提出，量子計算機是「真正的幾年後的技術」。谷歌有關量子計算機的動向今後需要格外關注。（特約撰稿人：中田 敦，矽谷支局）
（全文完）
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