使用5000量子位可编程自旋玻璃在优化问题上的量子优势

在过去的几十年里，世界各地的研究人员和公司一直在努力开发越来越先进的量子计算机。他们努力的主要目标是创建在特定任务上优于经典计算机的系统，这也被称为实现“量子优势”。

量子计算公司D-Wave Inc.的一个研究团队最近创建了一个新的量子计算系统，该系统在优化问题上优于经典计算系统。该系统在《自然》杂志的一篇论文中介绍，基于具有5，000个量子位(经典计算中比特的量子等价物)的可编程自旋玻璃。

“这项工作验证了量子退火背后的原始假设，从1990年代进行的一些开创性实验中得到了完整的循环，”进行这项研究的研究人员之一安德鲁·D·金(Andrew D. King)告诉 Phys.org。

“这些原始实验将大块的自旋玻璃合金置于不同的磁场中，观察结果表明，如果我们制造出可编程的量子自旋玻璃，它可以比类似的经典算法更快地降低到优化问题的低能状态。2014年发表的一篇科学论文试图在D-Wave Two处理器上验证这一点，但没有发现加速。

在他们最近的工作中，King和他的同事通过提高D-Wave Advantage处理器的连接性和一致性来实现量子加速，D-Wave是最近在D-Wave开发的量子计算系统。他们最终将这种处理器推向了没有热效应的连贯退火状态，这在以前的工作中是没有实现的。

为了实现这一目标，研究人员编写了一个5量子位的自旋玻璃系统，然后他们可以控制该系统。然后，他们使用该系统来解决不同的优化问题。

“这是一个'完整的循环'时刻，从某种意义上说，我们已经验证并扩展了芝加哥大学和NEC研究人员的假设;量子退火显示出比模拟热退火的缩放优势，“King说。“我们的是有史以来最大的可编程量子模拟;经典地复制它远远超出了已知方法的范围。

为了严格可靠地实现相干退火，该团队首先开发了一个2量子位的系统，并将其应用于一个简单的一维问题，可以用经典计算方法精确解决。另一方面，在他们的新研究中，他们开发了一个量子比特数量超过一倍的系统，并将其应用于无法使用经典计算工具模拟的问题。

“出于多种原因，基于D-Wave退火的量子计算机是唯一可以解决这种优化问题的量子平台，”King说。“首先是大小：我们研究了从非常小的旋转眼镜(250量子比特)到非常大的(5，000+量子比特)的缩放行为;250几乎是其他平台的上限。第二个原因是可编程性：我们在三维几何形状中编程量子比特网络，单独调整每个单独的量子比特 - 量子比特交互。

研究人员在在线生产系统上进行了实验，这意味着他们可以与云客户活动一起运行。在这个在线平台上，凭借其 5，000 量子位的自旋玻璃系统，他们终于在优化问题上展示了扩展优势。

“我们对量子效应有清晰的认识，并且在理论上和实验上都有非常明确的证据，表明量子效应比经典方法具有计算缩放优势，”金说。“我们想强调量子优势的原始定义与它有时被用作量子霸权的替身这一事实之间的区别，我们还没有证明这一点。门模型量子计算机还没有显示出任何接近优化的能力，我个人认为它们永远不会。

根据他们最近的工作，King和他的同事们认为，量子退火在优化问题上总是比门模型表现更好。这就是为什么D-Wave目前专注于这两个平台的开发。

“长期以来，相干量子动力学是否在量子退火中发挥任何作用一直是争论的主题，”金说。“虽然这种争议已被以前的工作所谴责，但这项新研究是迄今为止最清晰的证明。

这组研究人员的工作和他们意识到的5，000量子比特系统是对量子计算领域的重大贡献，这特别强调了使用量子计算系统解决优化问题的潜力。他们最近的论文侧重于通过精确控制大型系统的量子动力学，在优化问题上获得优于经典系统的量子优势。然而，在他们未来的工作中，King和他的同事们也想量化经典方法的局限性，并表明他们的系统的能力可以超越超级计算机。

“我们还可以非常清楚地看到处理器中一致性的影响，”King补充道。“目前正在开发的Advantage2处理器有望在该领域进行重大改进，因此我们非常兴奋地看到我们能做些什么，不仅在改进客户应用的优化方面，而且在相干退火方面进行更奇特的实验。

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