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22:08:13 / 2012年10月26日

#量子计算#在来自亚马逊创始人和中央情报局投资机构的资金支持下，加拿大D-Wave公司的革命性计算方法正蓄势待发。


D-Wave系统

温哥华郊区有间破败的麦当劳，与它隔着马路相对的，是一栋四四方方的建筑，里面有个比已知宇宙中任何角落都要冷的地方。在那

里有一块计算机处理器，亚马逊创始人杰夫-贝索斯和中央情报局的投资机构In-Q-Tel相信，它能利用量子力学的奇特性质，来提供比

任何传统计算机芯片更多的计算能力。贝索斯和In-Q-Tel和其他一些投资者一起，为这种前景投资了三亿美元。

如果他们赌赢了，世界上有些最棘手的计算问题--诸如寻找新药物或者努力建设人工智能--的挑战性将会戏剧性地降低；这项开

发也能洗清D-Wave的污名：这家创业企业花了八年时间努力建造一台量子计算机，而杰出的物理学家们却报以差不多是嘲笑的怀疑态

度。

D-Wave设计的超低温处理器用来解决那些软件工程师们称为“最优化”的问题。这些难题的要点在于找出最高效的物流途径，或者当

蛋白质中的原子遇到药物化合物的时候会如何运动。D-Wave的创始人和首席技术官乔迪-罗斯说：“几乎任何事都和最优化有关，它也

是计算机学习的基础；而计算机学习差不多是互联网上一切财富创造的根基所在。”机器学习是人工智能领域的一个分支，它让未来

的软件能检索世界各地的信息，并且制定合适的行动。它是语音识别和产品推荐之类技术的基础，也是Google和亚马逊这类依赖大量

数据的公司的优先研发内容。

In-Q-Tel公司负责信息与通信技术的副总裁罗伯特-埃姆斯在今天发表的声明中说：“我们的情报界客户有许多复杂问题，这些问题难

以用传统的计算机结构解决。”In-Q-Tel的主要客户是中央情报局和国家安全局，而这两个部门在自动情报收集和分析方面的大量投

资已广为人知。

罗斯的办公室没有窗户，角落里摆着吉他和武士刀。他是一位自信的加拿大人，早在2007年就对记者们宣告了大新闻。当时他在加利

福尼亚州山景城计算机历史博物馆的一次高端活动中，发布了第一款概念验证阶段的D-Waves处理器。活动的参加者们看到D-Waves的

处理器（似乎）能解出数独游戏，也能在一批其他化合物中找到与特定药物分子高度匹配的化合物。但是在之后的数周、数月乃至数

年中，量子计算领域学术专家们的质疑和欺骗的指控大量袭来。罗斯最初对于公司多快能够提升其芯片尺寸和性能的预测无疾而终，

而这家公司虽然依然资金充裕，却消失在公众的视野中。

到目前为止，贝索斯和In-Q-Tel是D-Waves公司最出名的赞助人，和他们签约是该公司一系列行动中最新的一项。这些行动表示D-

Waves认为已经准备好对那些批评者做出最终回应了。2011年5月，该公司在最具学术影响力的《自然》期刊上发表了一篇论文，声称

率先证明了D-Waves的芯片具有一些能够支持罗斯观点的量子特性；Google的人工智能研究者们定期通过互联网登录D-Waves的计算机

进行试验，该公司也在2011年签下了第一个客户；国防承包商洛克希德-马丁为一部计算机支付了1000万美元，这部计算机用来研究如

何在复杂项目中自动检测软件缺陷，比方说用在已经延迟了的F-35战斗机项目中（参见《利用量子效应开发能学习的软件》）；至于

技术原理的问题，D-Waves说即将会有更多的证据；一块改进过的处理器已经准备就绪，罗斯说这是该公司的第一个产品，而不是一台

研究设备；D-Waves希望在未来的几个月中宣布其他的主要客户。

冷点

走进D-Waves一楼的办公套房，你会看到平淡无奇的会议室、办公室和小隔间。但是打开特定的门，离开主走廊，你就会出现在一个明

亮的白色实验区，四个黑色的大家伙耸立其中。它们就是D-Waves的计算机，大体上是立方体的形状，大约3米高，当过冷气体在其中

循环时，会发出有节奏的尖锐声音。每台机器的侧面都有一扇门，里面差不多是空的；只有一个从天花板垂下来的、像是射线枪的东

西，由距离很远的几个尺寸递减的金属盘构成，之间用线缆、支柱和镀金及镀铜的管子相连。这是名副其实的“冷枪”：在粗的那一

端，温度是-452华氏度（-268.9摄氏度，或者4K），而在尖细的末端，温度只在绝度零度之上千分之几度--这里放着D-Waves一英寸

（2.54厘米）见方的芯片。太空最深处都没有这么冷，也不会像这块芯片一样完全隔绝了磁场。这块芯片是硅谷的一家工厂用铌合金

蚀刻出来的，这种合金在超低温时具有超导性。

在你用过的每台计算机中，处理器都是用硅制成的，它的表面刻出了晶体管，构建出逻辑门--逻辑门是开关，能打开（在计算机编

程中往往用1来表示）和关闭（用0表示）。D-Waves的处理器的基础也是能在1和0之间切换的开关，但是这些开关是铌合金制成的小环

--在最新的处理器里，有512个这种东西。这些小环被叫做“量子比特”，它能让电流陷入其中，当电流以顺时针方向运动时表示0

，逆时针运动时表示1。还有些更小的超导环被叫做“连接器”，它们连接量子比特，使它们相互作用甚至彼此影响，在0和1之间变化

。

设计出这种精妙的结构，是为了让量子比特的布局对应于一种算法，这种算法能够解决特定类型的最优化问题，而这些问题是许多难

以用传统计算机解决的任务的难点。这就像是工厂里的特定机器，用某种特定类型的原料，能把某件事做得很好。在D-Waves的芯片上

实现计算也需要提供这样的原料，并且以数字方式把它送进硬编码的算法中去。它的实现方式是把量子比特设置为某种1和0构成的模

式，再微调连接器，控制量子比特相互作用的方式。在不到一秒的等待之后，量子比特稳定在一个新值上，这代表处理器落在一种更

低的能态上，也暗示了原始问题的潜在解决方案。

在这段至关重要的等待中，发生了某种量子力学的现象。量子比特进入一种奇异的量子状态，它们同时兼具1和0两种状态，就像薛定

谔的猫一样既死又活，并且锁定在一种奇怪的被称为“纠缠态”的同步过程之中--这一现象曾被爱因斯坦描述为“幽灵”。这让量

子比特构成的系统能在稳定在一种最简单的或者接近最简单的方案之前，在一瞬间探索每种可能的最终配置方式。

最少，这是D-Waves的科学家们的说法。关于在芯片中到底发生了什么依然还有许多疑问，而且不只是在该公司自己的物理学家、工程

师和计算机科学家的脑袋里有这些问题。“我们主要是以经验来建造这个系统的，而不仅仅是依循理论。”D-Waves的副总裁杰里米-

希尔顿说，他领导了这种处理器的开发。他和公司的其他工程师们并不真正知道在芯片里发生的事情，但是只要每个设计都给出了投

入的问题的答案，那么其中发生的量子物理过程的更好细节可以等到回顾性验证的时候再说。

对投资者来说，这种态度似乎没什么问题，但是它依然让学术界心生怨怼。“在工程学水平上，他们的确实现了一个在许多方面都令

人印象深刻的设计。”麻省理工学院的教授斯科特-阿伦森说，他研究的是量子计算的限制因素。“但是使用量子机器解决问题的速度

应该比传统计算机更快。以这种证据来看，我不觉得他们已经实现了（量子计算）。”在2007年展示之后的几年中，阿伦森一直是一

位严厉的批评者，但是自从D-Waves去年发表在《自然》上的论文展示了量子效应后，他的立场变得温和了。阿伦森在二月的时候访问

了这家公司的实验室，他说：“过去，在市场需求和科学之间有着巨大的鸿沟，现在这种情况已经好转了，但是依然有缺口。他们有

举证责任，但是他们并没有承担起这项责任。”

阿伦森最大的诟病之处在于，D-Waves的设计看起来像是真能解决问题而无需量子效应，而在这种情形之下，可以简单地把它想象成一

台非常怪异的传统计算机。他和其他批评者说，这家公司还需要证明两个问题：它的量子比特真的能进入叠加态且实现量子纠缠，以

及这种芯片在和传统计算机在解决同样问题时相比，实现了巨大的“量子加速”。到目前为止，该公司尚未在同行评议论坛上提供任

何一个问题的证据。

罗斯说D-Waves正在忙于提供纠缠态的证据，而且最近和传统计算机的对抗测试表明，在那些量子处理器被设计用来解决的问题上，它

的效果遥遥领先于传统计算机。

阿伦森还说，D-Waves处理器的设计是对特定类型的问题硬编码，这会限制它能解决的问题的范围。而且，现在这种处理器上量子比特

的数量较少，这意味着它只能处理字长很短的数据。他说使用数学技巧把问题翻译成能够解决这些限制的正确形式，和每次D-Waves芯

片给出答案后就改变处理方式，都会导致严重的减速。罗斯反击说，量子处理器会足够快，足以应付这些问题；而且他有工程师正在

研究把普通的程序代码自动转化成D-Waves芯片所需形式的方法。

无论D-Waves是否能让阿伦森和其他怀疑论者满意，对于投资人和技术公司来说都不是什么问题。这是因为在商业的诸多领域，计算能

力都是获取竞争优势的决定性力量。德丰杰风险投资公司的合伙人史蒂夫-尤尔韦特松说。他在D-Waves上投资了两次，称之为他所投

资过的“最‘全垒打’的技术”。他说：“它的应用空间是任何我们不得不以落后的探索式方法--经验方法--来解决问题的地方

：短线交易者，分子模拟，电子商务行业的任何人和世界各地的Google们和微软们。”尤尔韦特松说，像洛克希德-马丁、亚马逊、以

及大型制药企业之类的公司对传统计算机的限制十分熟悉，他们会是排头兵；但是设计新车或者设计新在线商店等工作也会由此而受

益。

公司和政府部门会冒险投资这家有着令人迷醉的想法但是最终可能惨淡收场的创业企业，是因为有着另一种甚至更为急迫的动机。鲍

勃-卢卡斯说，我们可以相信，在过去数十年中以指数增长的计算能力，看来正在走到尽头。他在南加利福尼亚大学管理着超级计算和

量子计算研究，洛克希德-马丁公司的D-Wave计算机就安装在他这里。计算能力诸多规律性的进步来自于芯片上电路尺寸年复一年的的

缩减，但是领先的芯片制造商英特尔正在制造仅有14纳米宽电路的芯片，已经不会有太多更小的东西可以继续发展了。卢卡斯说：“

过去十年中（传统的）计算能力以指数级发展，而它的替代品看起来会更有趣。”他补充道，经过他对洛克希德-马丁的D-Wave系统的

实验，他对这种技术的观点已经从“高度怀疑”转为“谨慎乐观”了。