對(duì)D-Wave “至高無(wú)上”的爭(zhēng)議掩蓋了真正的進(jìn)步

本月早些時(shí)候，量子計(jì)算公司 D-Wave 表示它可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)能力之外的問(wèn)題，從而引發(fā)了爭(zhēng)議。這一說(shuō)法很快受到了質(zhì)疑，但專(zhuān)家表示，盡管引起了憤怒，但結(jié)果表明其技術(shù)的能力不斷增強(qiáng)。

“量子霸權(quán)”是指量子計(jì)算機(jī)可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)基本上不可能解決的問(wèn)題，已成為量子計(jì)算行業(yè)的指路明燈。谷歌、初創(chuàng)公司 Xanadu 和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員都聲稱(chēng)已經(jīng)跨越了這一里程碑。但它們因使用嚴(yán)重偏向量子硬件的測(cè)試而受到批評(píng)，因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是讓這些處理器產(chǎn)生隨機(jī)輸出，然后挑戰(zhàn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)模擬它。

總部位于加利福尼亞州帕洛阿爾托的 D-Wave 現(xiàn)在是最新一家聲稱(chēng)擁有量子霸權(quán)的公司，其結(jié)果于 3 月 12 日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。但這次的實(shí)驗(yàn)涉及量子模擬，該公司表示，這些模擬對(duì)科學(xué)研究和材料發(fā)現(xiàn)都有潛在價(jià)值。D-Wave 的說(shuō)法遭到了專(zhuān)門(mén)在經(jīng)典硬件上模擬量子系統(tǒng)的專(zhuān)家的反對(duì)，但該公司堅(jiān)持自己的立場(chǎng)。

“我們聲稱(chēng)這臺(tái)機(jī)器可以模擬一些經(jīng)典無(wú)法解決的問(wèn)題，并回答一些經(jīng)典永遠(yuǎn)無(wú)法回答的科學(xué)問(wèn)題，”D-Wave 的首席科學(xué)家 Mohammad Amin 說(shuō)?！拔艺J(rèn)為，這種說(shuō)法將永遠(yuǎn)存在?！?/p>

雖然 Google、IBM 和 IonQ 等公司正在構(gòu)建原則上可以運(yùn)行任何量子算法的“通用量子計(jì)算機(jī)”，但 D-Wave 的機(jī)器依賴(lài)于一種稱(chēng)為量子退火的過(guò)程。這種方法只能處理某些類(lèi)型的任務(wù)，最突出的是優(yōu)化問(wèn)題。它涉及將問(wèn)題的參數(shù)仔細(xì)編程到機(jī)器的量子比特中，然后讓它們隨著時(shí)間的推移而發(fā)展以找到解決方案。

在其最新的實(shí)驗(yàn)中，D-Wave 的研究人員使用了其新型 Advantage2 處理器的原型，該處理器具有大約 1,200 個(gè)超導(dǎo)量子比特，以模擬具有不同結(jié)構(gòu)和尺寸的磁性材料在不同時(shí)間尺度上的量子動(dòng)力學(xué)。然后，他們與外部研究人員合作，這些研究人員試圖使用領(lǐng)先的經(jīng)典技術(shù)來(lái)復(fù)制結(jié)果。在《科學(xué)》雜志的論文中，作者聲稱(chēng)，在橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Frontier 超級(jí)計(jì)算機(jī)上，將 D-Wave 的結(jié)果與最大問(wèn)題相匹配將采用最好的經(jīng)典方法，稱(chēng)為矩陣積態(tài) （MPS），長(zhǎng)達(dá)數(shù)百萬(wàn)年。

D-Wave 與傳統(tǒng)計(jì)算的爭(zhēng)論

D-Wave 的量子霸權(quán)主張很快就受到了挑戰(zhàn)。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員證明，他們可以使用四個(gè)圖形處理單元在短短幾天內(nèi)完成 D-Wave 估計(jì)表明在 Frontier 上需要 150 多年的計(jì)算。來(lái)自紐約市 Flatiron Institute 的另一組團(tuán)隊(duì)表明，將 MPS 與另一種算法技術(shù)相結(jié)合，使他們能夠在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)在單個(gè) CPU 上仿真一些較小的模型。他們還表明，該方法可以很容易地?cái)U(kuò)展到更大的問(wèn)題。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院物理學(xué)副教授、《科學(xué)》論文的合著者 Juan Carrasquilla 說(shuō)，這兩項(xiàng)研究都推動(dòng)了經(jīng)典技術(shù)的最新發(fā)展，他進(jìn)行了 D-Wave 基準(zhǔn)的 MPS 計(jì)算。但他說(shuō)，這兩項(xiàng)研究都沒(méi)有推翻該論文的核心主張，因?yàn)檫@兩個(gè)小組都只解決了該公司模擬的問(wèn)題的一個(gè)子集，而且時(shí)間尺度更短。雖然這些方法在紙面上看起來(lái)可擴(kuò)展，但在實(shí)踐中可能比看起來(lái)更具挑戰(zhàn)性。

“這縮小了索賠的范圍，但如果你想完全推翻它，你應(yīng)該能夠模擬 D-Wave 在論文中提出的系統(tǒng)，”Carrasquilla 說(shuō)。

熨斗研究所（Flatiron Institute）的研究科學(xué)家邁爾斯·斯圖登邁爾（Miles Stoudenmire）說(shuō)，他的團(tuán)隊(duì)沒(méi)有看到將他們的方法擴(kuò)展到更大問(wèn)題的科學(xué)價(jià)值，但他們現(xiàn)在計(jì)劃這樣做來(lái)證明這一點(diǎn)。不過(guò)，更廣泛地說(shuō)，他對(duì) D-Wave 的霸權(quán)主張?zhí)岢隽水愖h，因?yàn)樗鲆暳私?jīng)典方法進(jìn)一步發(fā)展的可能性。

“核心問(wèn)題是，他們的說(shuō)法不僅不是真的，而且在某種意義上也不可能是真的，因?yàn)檫@是關(guān)于未來(lái)的聲明，”他說(shuō)?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)這種語(yǔ)言非常令人反感，坦率地說(shuō)，這是不科學(xué)的?！?/p>

無(wú)論是否最高，結(jié)果都可能有用

關(guān)于 D-Wave 的機(jī)器是否能超越可以想象的最快計(jì)算機(jī)的爭(zhēng)議也掩蓋了一個(gè)更相關(guān)的事實(shí)——它比當(dāng)今最好的經(jīng)典技術(shù)要快得多。雖然還有其他權(quán)衡需要考慮，例如成本和系統(tǒng)的不靈活性，但 Stoudenmire 表示，使用他的方法需要數(shù)小時(shí)才能解決的問(wèn)題，而 D-Wave 的機(jī)器可以在幾分之一秒內(nèi)解決。

巴黎綜合理工學(xué)院 （école Polytechnique） 的人工智能和凝聚態(tài)物理學(xué)教授 Filippo Vicentini 表示，即使 D-Wave 的機(jī)器無(wú)法展示至高無(wú)上的地位，它仍然可能具有實(shí)際優(yōu)勢(shì)?！叭绻阌幸粋€(gè)可以在幾分鐘內(nèi)完成工作的量子處理器，你就不會(huì)想讓 GPU 運(yùn)行數(shù)百或數(shù)千個(gè)小時(shí)，”他說(shuō)。

然而，Vicentini 說(shuō)，雖然可能有一些科學(xué)問(wèn)題可以通過(guò)模擬《科學(xué)》論文中介紹的量子動(dòng)力學(xué)來(lái)回答，但沒(méi)有明顯的商業(yè)應(yīng)用。在 2023 年《自然》雜志的一篇論文中，D-Wave 表明，一些優(yōu)化問(wèn)題可以映射到這種類(lèi)型的量子模擬上，并且它的機(jī)器可以比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快地完成這些模擬。但 Vicentini 指出，有大量強(qiáng)大的經(jīng)典優(yōu)化算法可以直接解決這些問(wèn)題，而無(wú)需先將它們轉(zhuǎn)換為量子模擬。

Carrasquilla 對(duì)此表示贊同，并指出媒體報(bào)道表明該結(jié)果可能具有實(shí)際應(yīng)用具有誤導(dǎo)性?！爱?dāng)人們說(shuō)我們現(xiàn)在可以模擬材料時(shí)，這指的是材料的一個(gè)非常非常小的角落，絕對(duì)不是分子，不是藥物發(fā)現(xiàn)，不是材料發(fā)現(xiàn)，”他說(shuō)?！皩?duì)于統(tǒng)計(jì)力學(xué)和量子多體物理學(xué)來(lái)說(shuō)，這非常有趣，但對(duì)于商業(yè)相關(guān)的問(wèn)題，我認(rèn)為這還很遙遠(yuǎn)?！?/p>

洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory）的科學(xué)家卡爾頓·科夫林（Carleton Coffrin）則更為樂(lè)觀(guān)。他領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)項(xiàng)目，使用 D-Wave 的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬“量子磁體”，有朝一日，量子磁體可能會(huì)成為量子計(jì)算機(jī)的超精密傳感器或存儲(chǔ)設(shè)備的基礎(chǔ)。事實(shí)證明，在短短幾分鐘內(nèi)即可在超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行需要數(shù)天時(shí)間的實(shí)驗(yàn)的能力特別強(qiáng)大?！斑@使得凝聚態(tài)理論專(zhuān)家能夠幾乎實(shí)時(shí)地與硬件進(jìn)行交互，”Coffrin 說(shuō)?！斑@只會(huì)大大加快您獲得的見(jiàn)解類(lèi)型。”

自 2017 年以來(lái)，該小組還一直在測(cè)試 D-Wave 的量子計(jì)算機(jī)優(yōu)化問(wèn)題。Coffrin 說(shuō)，《科學(xué)》雜志上報(bào)道的量子模擬沒(méi)有直接應(yīng)用于這類(lèi)問(wèn)題，但每次 D-Wave 升級(jí)其底層量子比特技術(shù)時(shí)，他的團(tuán)隊(duì)都看到了性能的顯著提升。2022 年，他們報(bào)告說(shuō)，在某些優(yōu)化問(wèn)題上，具有大約 5500 個(gè)量子比特的老一代 D-Wave 計(jì)算機(jī)的速度是最好的經(jīng)典算法的 15 倍。

這種差距可能可以通過(guò)共同努力開(kāi)發(fā)新的經(jīng)典算法來(lái)縮小。但是，如果該公司能夠?qū)⒘孔颖忍財(cái)?shù)量翻倍到 10,000 個(gè)，Coffrin 懷疑經(jīng)典方法將越來(lái)越難以跟上?！霸谶@種規(guī)模下，在其他條件相同的情況下，古典比賽還有很長(zhǎng)的路要走，”他說(shuō)。“那會(huì)很困難。”

D-Wave 聲稱(chēng)，其量子計(jì)算機(jī)通過(guò)解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”——至少在現(xiàn)實(shí)的時(shí)間范圍內(nèi)是這樣。