团队展示了使用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”。

加拿大量子计算公司D-WaveQuantumInc.的一个研究团队最近创建了一种新的量子计算系统，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，它基于具有5,000个量子比特(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·金(AndrewD.King)告诉Phys.org。

“这些最初的实验采用了大块的自旋玻璃合金，并将它们置于不同的磁场中，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优化问题的低能量状态2014年发表的一篇Science论文试图在D-WaveTwo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-WaveAdvantage处理器的连通性和相干性实现了量子加速，D-WaveAdvantage处理器是D-Wave最近开发的一种量子计算系统。他们最终将该处理器推入了没有热效应的相干退火状态，这在以前的工作中是没有实现的。

为实现这一目标，研究人员编写了一个5,000量子比特的自旋玻璃系统，然后他们可以控制该系统。然后他们使用这个系统来解决不同的优化问题。

艺术家对使用D-WaveAdvantage处理器解决的3D优化问题的解释。图片来源：D-Wave。

“从某种意义上说，我们已经验证并扩展了UChicago和NEC研究人员的假设，这是一个‘完整的循环’时刻;量子退火显示出优于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;经典地再现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2000量子比特的系统，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求解。另一方面，在他们的新研究中，他们开发了一个量子位数量增加一倍以上的系统，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此类优化问题的量子平台，”King说。“第一个是尺寸：我们研究了从非常小的自旋眼镜(250量子位)到非常大(5,000+量子位)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：我们对量子位网络进行了编程在三维几何中，单独调整每个单独的量子位-量子位相互作用。”

研究人员在在线生产系统上进行了他们的实验，这意味着他们可以与他们的云客户活动一起运行。在这个在线平台和他们的5,000量子比特自旋玻璃系统中，他们最终展示了优化问题的扩展优势。

“我们对量子效应有一个清晰的认识，并且有非常明确的理论和实验证据表明，量子效应比经典方法具有计算规模优势，”金说。“我们想强调量子优势的这个原始定义与它有时被用作量子霸权的代名词这一事实之间的区别，我们还没有证明这一点。门模型量子计算机没有显示出任何接近这个的能力用于优化，我个人认为他们永远不会这样做。”

鉴于他们最近的工作，King和他的同事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。

“很长一段时间以来，相干量子动力学是否在量子退火中发挥任何作用一直存在争议，”金说。“虽然这一争议已被以前的作品所驳斥，但这项新研究是迄今为止最明确的证明。”

这组研究人员的工作和他们实现的5,000量子比特系统是对量子计算领域的重大贡献，特别突出了使用量子计算系统解决优化问题的潜力。他们最近的论文着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，金和他的同事们还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。“目前正在开发中的Advantage2处理器有望在该领域取得重大改进，因此我们很高兴看到我们能做些什么，不仅是针对客户应用程序的改进优化，还包括在相干退火方面进行更多奇特的实验。“

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