量子计算机简史

作者简介

西森秀稔 东京工业大学理学院教授。1977年毕业于东京大学理学部物理系。1981年成为卡内基梅隆大学博士研究员，1982年获得东京大学理学博士。1990年起任东京工业大学理学部物理系助教，1996年起任现职。1990年获日本IBM科学奖，2006年获得仁科纪念奖。著有《自旋玻璃与信息统计力学》《关于相变和临界现象的统计物理学》等专著。 大关真之 日本东北大学大学院信息科学研究科应用信息科学专业副教授。1982年出生，2008年完成东京工业大学理工学研究科物性物理学专业博士课程，随后在东京工业大学从事量子退火研究。曾任罗马大学物理系研究员、京都大学信息学研究课系统科学专业助教，自2016年10月起任现职。2012年获得第六届日本物理学会青年鼓励奖，2016年获得文部科学大臣表彰青年科学家奖。

内容简介

谷歌与美国国家航空航天局的新闻发布会 2015 年12 月8 日，位于美国硅谷的美国国家航空航天局艾姆斯研究中心召开了一场具有历史意义的新闻发布会。 参加发布会的除美国国家航空航天局外，还有美国高校空间研究协会（USRA）和谷歌公司。在过去两年里，他们使用加拿大D-Wave 系统公司（以下简称“D-Wave 公司”）的量子计算机进行了性能测试，并在此次发布会上公布了其测试结果： “D-Wave量子计算机的运行速度比经典计算机快1亿倍。” 这一惊人成果不但被专业媒体报道，也见诸《华盛顿邮报》等综合性报纸。 “快1 亿倍”是什么概念？简单来说，就是经典计算机需要耗费1 亿秒的工作，量子计算机仅需1 秒就能完成。1 亿秒相当于3 年2 个月。实际上，计算机的运算速度会因问题不同而异，并不能如此简单化地理解，但大致就是这个意思。也就是说，某些情况下，过去需要耗费大量时间和成本进行的运算，量子计算机瞬间就能完成。这种计算机的问世无疑会引发人们的惊叹。 量子计算机的构想和研发始于20 世纪80 年代。当时人们认为，至少要到21 世纪后半叶，量子计算机才能问世。然而就在几年前，D-Wave 公司却开始销售商用量子计算机，而且其性能已经得到了美国国家航空航天局和谷歌的验证。 正如大家所知，计算机使用0 和1 这两个数字信号来处理信息。0 和1 可以分别用高电平和低电平来表示。在中央处理器中，由晶体管组成的逻辑门针对代表0 和1 的信号输入返回相应的信号，从而实现运算（参见第111 页）。 0 和1 称为“比特”。 量子计算机则是利用量子力学原理，使用处于0 和1 叠加态的量子比特来进行运算。所谓0 和1 的叠加态是指既是0又是1 的状态。尽管这种状态不符合我们的直觉，但在量子力学的世界里，我们的常识是行不通的。 在过去，使用量子比特进行运算只是指将操控量子比特的逻辑门组合起来进行运算。也可以说，只是运用量子力学原理，来扩展经典计算机的运算方法。但经典计算机的性能已经逐渐达到极限，因此人们 .始寄希望于高性能量子计算机的研发。 由于制造技术方面的困难，人们一般认为量子计算机还需数十年时间才能问世。不过现在，已经有一家加拿大厂商研发出全新模式的量子计算机，并实现了商用化。 过去人们一直研发的量子计算机采用的是量子门（量子线路）方式，而最近几年突然实现商用化的量子计算机采用的是量子退火方式。量子退火的运算方法与量子门截然不同，因此从刚刚获知其实现商用化的新闻直至最近的报道当中，媒体和对此感兴趣的普通读者无不好奇—量子退火到底是什么。 本书作者之一西森秀稔是量子退火理论的提出者。虽然迄今为止，我已经在各种媒体介绍过支撑新型量子计算机的量子退火的原理和意义，但对于非专业人士来说，这些内容确实很难理解。因此，为了让没有专业知识的人也能理解，为了用最通俗易懂的方式向普通人介绍，我特意写了本书。 量子退火计算机之所以受到关注，很大程度上是由于人们对其在人工智能领域的应用满怀期待。人工智能的实现及相关的研发工作会给未来的社会带来巨大影响，新型计算机具有充分潜力提高人工智能的性能，并大幅加速其应用进程。尤其是量子退火机，很有可能成为重要契机，推动机器学习的进一步发展，这对人工智能的实现是不可或缺的。 因此，曾经在西森研究室学习，而今活跃于人工智能、机器学习领域的大关真之也参与了本书的写作。对人工智能的相关知识，本书也将尽量采用通俗易通的方式进行介绍，使没有专业背景的读者也能理解。 用量子计算机解决组合优化问题 其实D-Wave 量子计算机并非一直拥有比经典计算机“快1 亿倍”的高性能。谷歌和美国国家航空航天局的测试结果是，在解决某些特定问题时，量子计算机可以表现出比经典计算机快1 亿倍的性能。 经典计算机可以执行各种各样的任务。比如在撰写本书时，我会在计算机上使用文字处理软件写作，或者用浏览器在互联网上查找资料。而在互联网的另一端，谷歌数据中心内数量庞大的计算机则正在随时处理用户的搜索请求。由于用途广泛，经典计算机都是通用型的。 与此相比，D-Wave 量子计算机则只能用于特定用途。这里说的特定用途指解决组合优化问题。也就是说，谷歌和美国国家航空航天局宣布的，其实是在解决某类组合优化问题时，D-Wave 量子计算机的速度要比经典计算机快1 亿倍。 ◎ 下一个诺贝尔物理学奖也许就是它！ 首创者从零解说量子计算机的发展历程和运行原理，了解科技树顶端技术将如何推动人工智能及机器学习,尤其是深度学习实现质的飞跃。 ◎ 1秒vs.3年2个月！“快1亿倍”的计算机将彻底改变我们的生活！ D-Wave量子退火机已在航班时刻表、选举模型、化学、汽车设计、健康医疗、物流与金融管理等商业与科学领域投入了应用。 最近，D-Wave公司还宣布向COVID-19研究人员免费提供云量子计算服务，为抗击疫情贡献力量。 ◎ 了解各科技巨头围绕“量子霸权”的激烈角逐和今后走势！ D-Wave量子退火机在质疑声中接连赢得洛克希德？马丁、谷歌、NASA、洛斯？阿拉莫斯国家试验室等众多客户，谷歌宣布实现了“飞跃式运算能力”，本书还介绍了各科技巨头争相布局的量子计算机的不同原理和类型。