量子計(jì)算作為一項(xiàng)有能力改變世界的技術(shù)而備受關(guān)注。在 NEC，我們正在這一重點(diǎn)領(lǐng)域投入大量資源并加速研究。但量子計(jì)算機(jī)到底是什么？如今NEC的技術(shù)具有怎樣的獨(dú)創(chuàng)性？我們采訪了活躍在該領(lǐng)域的研究人員。

量子計(jì)算研究前沿

 

Tomohiro Yamamichi安全系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室
高級(jí)經(jīng)理

― 首先，量子計(jì)算機(jī)到底是什么？

它是利用“量子疊加”等量子特性進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算機(jī)。在我們今天使用的計(jì)算機(jī)（經(jīng)典計(jì)算機(jī)）中，每一位都有“0”或“1”的狀態(tài)，我們用它來(lái)執(zhí)行二進(jìn)制系統(tǒng)中的計(jì)算。例如，如果是8位，我們就會(huì)用“10001111”這樣的數(shù)字來(lái)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)，可以從“00000000”到“11111111”范圍內(nèi)的2的8次方=256個(gè)狀態(tài)中取一種狀態(tài)。

另一方面，在量子態(tài)中，有可能具有同時(shí)為“0”和“1”的疊加態(tài)。這是一種被稱為“量子疊加”的特性，如果利用這一點(diǎn)，就可以同時(shí)表達(dá)2的8次方的狀態(tài)。換句話說(shuō)，一個(gè)量子態(tài)可以處理 2 的 n 次方的計(jì)算。雖然不可能簡(jiǎn)單地提取所有計(jì)算結(jié)果，但通過(guò)使用疊加干擾的算法，有可能比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更有效地進(jìn)行計(jì)算。隨著位數(shù)的增加，這可能會(huì)對(duì)我們的社會(huì)產(chǎn)生巨大影響。人們期望傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)由于計(jì)算性能的限制而無(wú)法完成的計(jì)算可以在現(xiàn)實(shí)的時(shí)間內(nèi)得到解決。

首先，什么是量子計(jì)算機(jī)？

 

― 現(xiàn)在有多現(xiàn)實(shí)？

首先，量子計(jì)算機(jī)有兩種類型。一種稱為量子門方法，用量子比特代替?zhèn)鹘y(tǒng)的計(jì)算機(jī)比特。正如我之前提到的，這可能從根本上改變計(jì)算機(jī)的性能，但我們?nèi)蕴幱谌蜓芯侩A段。400位級(jí)是目前最大的機(jī)器，但要無(wú)錯(cuò)誤地控制量子位仍然很困難，需要降低錯(cuò)誤率并增加冗余，才能實(shí)現(xiàn)“容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)”。問(wèn)題。

另一種稱為量子退火。這是一種專門解決“組合優(yōu)化問(wèn)題”問(wèn)題的計(jì)算機(jī)，D-Wave 與 NEC 合作，發(fā)布了一款 7000 位級(jí)別的計(jì)算機(jī)。組合優(yōu)化問(wèn)題是在滿足各種約束的情況下組合備選方案以找到最優(yōu)解的問(wèn)題。比如如何奔波多個(gè)城市以最小化成本的“旅行推銷員問(wèn)題”，以及將產(chǎn)品包裝在固定容量的背包中從而使總價(jià)值最大化的“背包問(wèn)題”。

組合優(yōu)化問(wèn)題可以簡(jiǎn)化為稱為“伊辛模型”的模型，最優(yōu)解對(duì)應(yīng)于伊辛模型的最小能量狀態(tài)。在量子退火中，伊辛模型以量子比特為代表，并進(jìn)行操作以搜索最小能態(tài)并找到最優(yōu)解。然而，使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)執(zhí)行此類退火的稱為“模擬退火”（偽量子退火）的方法已經(jīng)被廣泛使用，NEC 還提供使用向量機(jī)“SX-Aurora TSUBASA”的服務(wù)。發(fā)展。如果用量子退火代替這種偽量子退火，預(yù)計(jì)將有可能提出更快、更準(zhǔn)確的解決方案。

在NEC，我們與AIST合作創(chuàng)建了“NEC-AIST量子利用技術(shù)協(xié)作研究實(shí)驗(yàn)室”，并致力于量子門方法和量子退火的研究。

NEC具有未來(lái)潛力的研究

 

― NEC目前在量子計(jì)算機(jī)研究方面處于什么地位？

最初，NEC 于 1999 年成為世界上第一家使用超導(dǎo)固態(tài)器件成功演示量子比特運(yùn)行的公司。不過(guò)，近年來(lái)，各家公司和研究機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)展量子計(jì)算機(jī)的研究，并取得了令人矚目的成果。2014年，NEC成功實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)使用超導(dǎo)參數(shù)電路的量子位高靈敏度讀出，并繼續(xù)加速研究。

例如，在量子門方法方面，我們正在參與內(nèi)閣府主導(dǎo)的登月研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。量子計(jì)算機(jī)容易受到環(huán)境干擾，在計(jì)算過(guò)程中會(huì)積累錯(cuò)誤，因此必須具有容錯(cuò)能力，才能無(wú)錯(cuò)誤地執(zhí)行量子計(jì)算。該項(xiàng)目的目標(biāo)是到2050年實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。在一個(gè)使用超導(dǎo)量子電路的項(xiàng)目中，NEC擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理，正在開(kāi)展一個(gè)由多個(gè)研究機(jī)構(gòu)參與的聯(lián)合研究項(xiàng)目。

在量子退火方面，我們正在參與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省主導(dǎo)的NEDO項(xiàng)目，并正在推進(jìn)研究和開(kāi)發(fā)。今年6月，我們開(kāi)始與東北大學(xué)聯(lián)合研究，通過(guò)云使用量子退火機(jī)進(jìn)行計(jì)算。這是一項(xiàng)注重實(shí)用服務(wù)的舉措。我們目前正處于 8 位演示階段，但我們的目標(biāo)是通過(guò)使用我們迄今為止提供的向量機(jī)將其與偽量子退火相結(jié)合，創(chuàng)建一種利用每種功能特性的服務(wù)。量子退火和矢量機(jī)各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，因此我們的目標(biāo)是構(gòu)建可以選擇它們并解決問(wèn)題的應(yīng)用程序和平臺(tái)。這可以說(shuō)是同時(shí)擁有量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)技術(shù)的NEC的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

NEC在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的地位

 

擴(kuò)展

 

― NEC 的獨(dú)特性和優(yōu)勢(shì)是什么？

至于我負(fù)責(zé)的量子退火，我們開(kāi)發(fā)了一種類似于量子門方法的獨(dú)特方法，使用稱為超導(dǎo)參量管或約瑟夫森參數(shù)振蕩器（JPO）的電路，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠保持長(zhǎng)時(shí)間相干時(shí)間（量子疊加態(tài)能夠維持的時(shí)間）。相干時(shí)間越長(zhǎng)，計(jì)算的精度越高。此外，該方法量子比特的利用效率較高，可以用比以前更少的比特?cái)?shù)解決組合優(yōu)化問(wèn)題。該架構(gòu)還具有易于擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)，因此在未來(lái)具有很大的潛力。

NEC 的獨(dú)特性和優(yōu)勢(shì)

 

 

瞄準(zhǔn)實(shí)用化的多位

 

- 請(qǐng)告訴我們未來(lái)的發(fā)展。

首先是多位的實(shí)現(xiàn)。我們?nèi)栽谥貜?fù)8位量子退火和門方法的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，因此我們的目標(biāo)是快速實(shí)現(xiàn)多位并將其完成為實(shí)用機(jī)器。不過(guò)，正如我前面提到的，NEC正在推廣的方法具有較長(zhǎng)的一致性時(shí)間和采用易于擴(kuò)展的架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。如果能夠成功增加位數(shù)，可以說(shuō)它有潛力產(chǎn)生非常大的效果。


― 增加位數(shù)的障礙是什么？

這不僅限于NEC，為了實(shí)現(xiàn)更高的位數(shù)，與位數(shù)成比例增加的布線和測(cè)量?jī)x器也成為瓶頸。量子計(jì)算機(jī)還要求將量子元件放置在可冷卻至約10mK（-273.14°C，注）的稀釋冰箱中。構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng)的成本以及冰箱的容量和制冷能力是增加位數(shù)的主要障礙。

這并不意味著你可以花無(wú)限的錢來(lái)建造一個(gè)巨大的設(shè)備。需要想法和創(chuàng)新來(lái)提高量子計(jì)算機(jī)的配置效率。包括 NEC 在內(nèi)的世界各地都在進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，尋求開(kāi)發(fā)新的外圍技術(shù)來(lái)在冰箱內(nèi)布置控制設(shè)備。

注：0K（開(kāi)爾文）是溫度不能再下降的溫度（絕對(duì)零）。

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本文由日本NEC鋰電池中國(guó)營(yíng)銷中心于2023-07-03 21:14:41 整理發(fā)布。
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