2048退火量子計算機首次演示拓撲相變 量子模擬技術的又一突破

　　D-Wave 系統(tǒng)公司在 Nature 雜志發(fā)表了一項里程碑式的研究，使用 2048-qubit 的退火量子計算機演示了拓撲相變，證明完全可編程的 D-Wave 量子計算機可以大規(guī)模地用作量子系統(tǒng)的精確模擬器。

　　量子計算機的主要應用之一是模擬自然量子現(xiàn)象，在最近發(fā)表的一項研究中，來自加拿大 D-Wave 系統(tǒng)公司的研究人員演示了如何做到這一點。

　　他們模擬的現(xiàn)象涉及與薄膜超導性和超流性相關的拓撲相變。這被稱為 Kosterlitz-Thouless 相變，其發(fā)現(xiàn)者布朗大學的 Michael Kosterlitz 和華盛頓大學的 David Thouless 共同獲得 2016 年諾貝爾物理學獎。

　　8 月 22 日，D-Wave 系統(tǒng)公司在 Nature 雜志發(fā)表了一項里程碑式的研究，使用 2048-qubit 的退火量子計算機演示了拓撲相變。這種復雜的材料量子模擬是減少耗時且昂貴的物理研究和開發(fā)的重要一步。

　　這張圖的下半部分是一個 2048-qubit 的 D-Wave 2000Q 處理器，用來模擬圖的上半部分描繪的量子磁系統(tǒng)的行為。（via：D-Wave Systems）

　　論文題為《在 1800 量子比特的可編程晶格中觀察量子拓撲現(xiàn)象》（Observation of topological phenomena in a programmable lattice of 1，800 qubits）。

　　29位作者寫作的論文

　　這項工作標志著該領域的一個重要進展，并再次證明，完全可編程的 D-Wave 量子計算機可以大規(guī)模地用作量子系統(tǒng)的精確模擬器。

　　這項研究中使用的方法可能對新材料的開發(fā)具有廣泛的影響，它實現(xiàn)了 Richard Feynman 對量子模擬器的最初設想。

　　這項新研究緊跟 D-Wave7 月份在 Science 上發(fā)表的另一篇論文之后，那篇論文展示了在量子自旋玻璃模擬中的一種不同類型的相變。這兩篇論文共同表明了 D-Wave 的量子計算機在材料量子模擬中具有靈活性和通用性，以及在優(yōu)化和機器學習等其他任務上的良好表現(xiàn)。

　　源自費曼的想法，模擬諾貝爾物理學獎的發(fā)現(xiàn)

　　1982 年，理查德 · 費曼（Richard Feynman）提出用可編程量子計算機模擬復雜系統(tǒng)的量子物理的想法。 在過去的 35 年里，利用量子力學來模擬自然的潛力推動了量子計算領域的發(fā)展。

　　現(xiàn)在，來自 D-Wave Systems 和 Vector Institute 的研究人員在完全可編程的 D-Wave 2000Q 退火量子計算機中展示了拓撲相變（topological phase transition）的模擬——這是 2016 年諾貝爾物理學獎的主題。

　　這種現(xiàn)象被稱為 “Kosterlitz-Thouless （KT） 相變”，正是這個發(fā)現(xiàn)讓 J. Michael Kosterlitz 和 David Thouless 獲得了 2016 年諾貝爾物理學獎。這種相變對于理解薄膜中的超導性和超流性是至關重要的，并且已經(jīng)在許多奇異的物理系統(tǒng)中觀察到，例如玻色–愛因斯坦凝聚（BoseEinstein quasicondensates）。

　　量子磁體的可編程模擬。（a）2048-qubit D-Wave 2000Q 處理器用于模擬方形八邊形晶格（b）上的量子磁系統(tǒng)，使用為三角形晶格（c）開發(fā)的理論框架。

　　D-Wave 的研究人員通過編程 D-Wave 2000Q 系統(tǒng)，形成一個二維的人造自旋晶格，從而證明量子拓撲現(xiàn)象。如果沒有量子效應，模擬系統(tǒng)中觀察到的拓撲性質就不可能存在，這與理論預測非常吻合。

　　以前已有研究使用更傳統(tǒng)的模擬方法對 Kosterlitz-Thouless 相變進行建模。這次，D-Wave 使用完全可編程的 2048-qubit 退火量子計算機，實現(xiàn)了與經(jīng)典模擬一致的結果。

　　D-Wave 的 2000Q 計算機利用超導量子干涉裝置通量量子比特（flux qubits），或稱SQUID，制作成集成電路。與表示 1 或 0 的確定值的經(jīng)典比特不同，量子比特可以在計算過程中同時表示 0 和 1。

　　拓撲相變附近階次的模擬。

　　精確模擬涉及 1800 個量子比特

　　D-Wave 處理器與傳統(tǒng)模擬之間的定量一致性驗證了量子模擬的結果。該系統(tǒng)的對稱性使其具有極高的靈敏度，精確模擬涉及 1800 個量子比特，這代表了量子模擬中自旋相互作用的高保真控制和可編程性方面的突破。

　　這種模擬以及最近 D-Wave 處理器對 3D 晶格的模擬表現(xiàn)出一定程度的復雜性和可編程性，遠遠超出了以前的研究在量子計算領域中所證明的任何東西。

　　多年來，研究人員一直在爭論 D-Wave 的計算機是否真的具有量子效應。這兩項研究進一步證實了 D-Wave 的計算機具有量子效應。

　　“這兩項研究證明了兩種完全不同的量子模擬的能力…… 這說明 D-Wave 量子計算機具有可編程性和靈活性，”D-Wave 的 Andrew King 說，他是 Nature 這篇論文的主要作者?！斑@種可編程性和靈活性是理查德 · 費曼（Richard Feynman）最初設想的量子模擬器的兩個關鍵要素?！?/p>

　　2016 年諾貝爾獎獲得者 J. Michael Kosterlitz 博士說：“這篇論文代表了物理系統(tǒng)模擬領域的一大突破，否則基本上是不可能得到證明的?！?/p>

　　他說：“這個測試重現(xiàn)了大部分預期結果，這是一個了不起的成就。這給了我們希望，未來的量子模擬器將能夠探索更復雜、更難以理解的系統(tǒng)，以便人們能夠在定量細節(jié)上信任模擬結果，將其作為物理系統(tǒng)的一個模型。我期待看到這種模擬方法在未來的應用。”

　　D-Wave 的首席科學家 Mohammad Amin 博士說：“這項工作代表了量子計算領域的一個里程碑：第一次，在用真實的磁性材料進行驗證之前，在量子模擬中實現(xiàn)了理論預測的物質狀態(tài)?！?/p>

　　“這是朝著實現(xiàn)量子模擬的目標邁出的重要一步，使得在實驗室將材料制造出來之前就能夠研究材料的特性，這個過程在今天是非常昂貴而且耗時的?！?/p>

　　D-Wave 系統(tǒng)公司已經(jīng)從眾多知名投資人那里吸引了超過 2 億美元的資金，其中包括Amazon 創(chuàng)始人 Jeff Bezos 的風險投資基金、高盛和 In-Q-Tel。洛克希德 · 馬丁公司（Lockheed Martin）、Google、美國國家航空航天局（NASA）、洛斯阿拉莫斯國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室都是 D-Wave 的客戶。