重大！量子计算成功实现2016年诺奖物理研究，开创量子模拟全新里程碑

在 20 世纪 70 年代早期，理论物理学家 Vadim Berezinskii，J.Michael Kosterlitz 和 David Thouless 预测了一种以非平凡拓扑性质为特征的新物质状态。这项工作于 2016 年被授予诺贝尔物理学奖。

而坐落于加拿大本那比的量子计算系统和软件公司 D-Wave Systems 的研究人员，通过对 D-Wave 2000Q™系统进行编程以形成二维人造自旋点阵证明了这一现象。可完全编程的 2048 量子比特退火量子计算机模拟出了 2016 年获得诺贝尔奖的一种拓扑相变：Kosterlitz-Thouless 相变。

这项研究通过同行评议后，于 2018 年 8 月 22 日发表在期刊《自然》（Nature）上。这项工作标志着该领域的一个重要进展，再一次证明了 D-Wave 公司的可完全编程的量子计算机可以作为大规模量子系统的精确模拟器。同时，这个工作为更低成本、更快速度的材料实现提供了基础。

图 | Nature 在 8 月 22 日刊登了 D-Wave 的最新成果（来源：Nature 官网截图）

“这篇发表在《自然》的工作代表了量子计算领域的一个里程碑：这是首次在真实的磁性材料实现之前，在量子模拟器中实现理论预测的物质状态。”D-Wave 首席科学家 Mohammad Amin 博士说，“这是实现量子模拟目标的重要一步，使得人们可以在实验室制备样品前对材料属性进行研究，而制备样品目前来看可能非常昂贵且耗时。”

“D-Wave 对 Kosterlitz-Thouless 相变的量子模拟是一个激动人心且有影响力的成果。它不仅有助于我们理解量子磁学中的重要问题，而且还展示了通过包含有限个量子比特的自旋映射系统，这一系统新颖有效地解决了计算难题，并为更广泛的应用提供了新的可能性。”美国洛斯阿拉莫斯国家实验室科学，技术和工程副主任 John Sarrao 博士说。

首次大规模量子模拟拓扑相变实现

D-Wave 公司在这次研究中模拟的 Kosterlitz-Thouless 相变，对薄膜超导性和超流性的研究至关重要。这一拓扑相变曾通过传统方法在不同的物理系统中进行多次观测，如 Bose-Einstein 准冷凝物。这一拓扑相变可根据拓扑缺陷来描述，即涡流和反涡流的存在和相互作用，以及它们对具有角度自由度的系统的自由能的影响。

在这项研究中，横向场 Ising 模型证明了这种现象的观察，该量子模型由 D-Wave 处理器设计实现。而在相应的经典 Ising 模型中，由于没有旋转自由度，因此不存在拓扑现象。量子波动的增加可完全改变系统的性质，如一种被称为“order by disorder”的现象。横向场 Ising 模型中的拓扑相变目前只能通过理论工作和经典模拟预测，从未在实验中证明过。而编程这种磁性量子系统的灵活性对于实现在如下图所示的晶格中的现象至关重要。

图 | a, 横向磁场伊辛模型中的拓扑性质。b, 模拟得到的正方-八角形点阵关于温度和横向磁场的相图。（来源：D-Wave/Nature）

D-Wave 处理器与传统模拟之间的一致性，强有力的验证了量子模拟的结果，同时，也证实了 D-Wave 实现大规模量子模型应用的能力。由于存在许多对称性，系统极其敏感，其精确模拟涉及 1800 个量子比特，代表了量子模拟中自旋相互作用的高保真控制和可编程性的突破。该模拟和最近在 D-Wave 处理器中的 2048 个量子比特上的 3D 晶格的模拟表现出的复杂性和可编程性，远远超出量子计算领域中之前已有的成果。

D-Wave 2000Q™系统由 1800 个超导磁通量子比特（superconducting flux qubit）组成，这些磁通量子比特由现代微电子工艺集成加工而成。这种量子比特和经典比特最大的不同是它们具有量子效应，可以同时处于「0」和「1」的叠加态上。

 

如果量子计算机的实际工作方式与研究人员的期望相同，那么人们在制造特殊功能的超导体和其他材料之前就可以用量子计算机得到它们的性质，并在必要时做出及时调整。

图 | D-Wave 研究的正方—八角形 (a)，三角形几何阻挫结构 (b)。c, 三角反铁磁点阵的 6 个经典基态和横向场作用下的 6 个微扰基态。这些态可以映射到复数域赝自旋上。（来源：D-Wave/Nature）

从争议不断到前途明朗

作为量子计算领域的热门话题，D-Wave 公司自 2011 年推出第一台量子计算机 D-Wave One 后就饱受争议。一些科学家之前表示，D-Wave 的量子计算机是否真的利用量子现象实现计算还不确定，它是否比经典计算机更有优势也不确定。

2014 年，发表在预印本网站 arXiv 上的一篇论文称，用一个简单的经典模型就可以解释包含 108 个量子比特的 D-Wave One 的输入输出行为。

2015 年，谷歌宣称使用 D-Wave 的量子计算机在解决某些问题的时候比传统计算机快了 1 亿倍。但接着瑞士苏黎世联邦理工大学教授 Matthias Troyer 就提出了质疑，表示该实验设置的问题本来就是“一个对普通模拟退火很难，而对 D-Wave 的量子退火算法很容易的问题”，对这个算法稍作修改 D-Wave 的优势就变小了不少，而对于一些更复杂的问题，普通电脑甚至比 D-Wave 要快。

也有批评人士说，D-Wave 应该多发表学术论文来证明他们的创新，而不是开发布会。

最近发表于《自然》和《科学》（Science）这两个世界顶级期刊的两篇 D-Wave 论文对这些批评者们做出了强有力的回击。他们用自己的设备模拟了两种截然不同的重要物理现象。

图 | 完全可编程退火量子计算机模拟 2016 年诺贝尔奖背后的现象。（来源：D-Wave）

上个月，D-Wave 在《科学》上发表的一篇论文中指出，D-Wave 的计算设备有能力对量子系统进行模拟。在论文中，D-Wave 的研究人员尝试设计了一个量子系统的弛豫模型，系统的设置与 D-Wave 计算机本身使用的计算位设定类似。这将允许研究人员对该量子系统进行模拟，进而检查量子相变。虽然这并不是目前量子计算机的最佳表现，但这篇论文表明它确实能让研究人员在相关量子系统经历相变时调整系统参数。

在展示了量子自旋玻璃模拟中的不同类型的相变之后，最近《自然》杂志发表的新论文中用包含 1800 个量子比特模拟出了二维材料的拓扑相变，并且与理论预测非常吻合。D-Wave 研究人员通过对 D-Wave 2000Q 系统进行编程以形成人造自旋的二维阻挫格子（frustrated lattice）来证明这一现象。如果没有量子效应，模拟系统中观测到的拓扑性质就不存在。这种拓扑性质的理论工作曾获得了 2016 年的诺贝尔物理学奖，而这种性质在未来的材料学，电子学等学科有着广阔的发展前景。现在，D-wave 的工作使得科学家或工程师们可以很容易的在 D-Wave 量子计算机上验证自己的设想，而不需要去实验室辛苦地制备或用超级计算机花费大量时间计算可行性。

（来源：YouTube截图）

这两篇论文共同表明了 D-Wave 量子计算机在材料量子模拟，优化和机器学习等多种任务中的灵活性和多功能性。

“本文从本质上代表了物理系统模拟的一个重大突破，而这种模拟在其他系统中几乎不可能。”2016 年诺贝尔奖获得者 J. Michael Kosterlitz 博士说，“该工作再现了大部分预期结果，这是一项了不起的成就。这使得未来的量子模拟器能够探索更复杂且了解不多的系统，从而使得人们可以信任模拟定量的结果细节，因为它是真实系统的模型。我期待看到这种模拟方法未来的应用。”

“正如我们在《科学》与《自然》杂志上报道的那样，使用相同的量子处理器展示了两种截然不同的量子模拟的能力说明了 D-Wave 量子计算机的可编程性和灵活性，”该工作第一作者 D-Wave 公司 Andrew King 博士说，“这种可编程性和灵活性是 Richard Feynman 最初的对量子模拟器愿景中的两个关键因素，并为未来预测更复杂的工程量子系统的行为提供了可能性。”

D-Wave 量子计算未来：从未意图取代经典计算机

发表在《自然》和《科学》中的成果，推动了 D-Wave 与世界级客户和合作伙伴在各个领域的实际原型应用程序上的持续合作。客户已为其开发了 70 多个原型应用程序功能涵盖优化、机器学习、量子材料科学、网络安全等。许多原型应用程序的结果表明，D-Wave 系统在前商业化阶段，在性能或解决方案质量方面接近并有时超越传统计算。随着 D-Wave 系统和软件功能的扩展，这些原型应用程序将显示出在量子计算机上获得成倍的增长优势的潜力。

但是，这样批评的声音可能还会存在：此次量子模拟只能实现对 stoquastic 量子模型的模拟，并未真正超越经典计算机可模拟的范围。当然，这为验证本次量子模拟结果提供了参照，但同时也是对量子模拟器的限制。而针对这一问题，《Nature》对此的评述认为，可通过两种方式对 D-Wave 的功能进一步扩展：其一，是进行动态非平衡效应的量子模拟，如在量子比特系统被扰动后再进行激发的传播；其二，是通过引入量子比特之间其他类型的可编程交互，以实现传统模拟器无法模拟的 non-stoquastic 模型。

D-wave 的成果的确令人印象深刻，但他们的计算机仅仅能加速某些特定的问题，而不是一台通用量子计算机，能加速各种问题。然而，正如我们年初 EmTech China 全球新兴科技峰会上的嘉宾、D-Wave 公司 CEO Vern Brownell 所讲的：量子计算机的目的并不是取代经典计算机，而是会和它们共存，并在某些特定问题上显示出自己的优势。

图 | D-Wave CEO Vern Brownell 在 EmTech China 上演讲（来源：麻省理工科技评论）

而面对未来应用，Vern Brownell 也曾在年初 EmTech 上对 DT 君表示，目前 D-Wave 的量子退火技术的确有著应用上的限制，但是开发人员正努力增加设计上的扩展，虽然一定程度增加了复杂度，但是在对未来量子计算的应用广度上，就可和英特尔与 IBM 等公司所发展的 Gate-Model 或 TopoLogical 架构相提并论。但 Vern Brownell 也强调，生态的经营是循序渐进的，尤其在新计算架构的经营方面，是很难一步登天的。

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编辑：陈臻，戴青

参考：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0410-x

https://www.dwavesys.com/press-releases/d-wave-breakthrough-demonstrates-first-large-scale-quantum-simulation-topological

https://www.newscientist.com/article/dn28641-experts-doubt-googles-claim-about-its-quantum-computers-speed/ 

https://arxiv.org/abs/1401.7087

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