团队用5000量子位可编程自旋玻璃展示了量子在优化问题上的优势

D-Wave Advantage处理器拥有超过5000个量子比特和4万个可编程耦合器，用于通过量子相变演示相干退火，比模拟退火更快。

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。他们努力的关键目标是创建在特定任务上优于传统计算机的系统，这也被称为实现“量子优势”。

量子计算公司D-Wave公司的研究小组最近开发了一种新的量子计算系统，在优化问题上优于传统计算系统。《自然》杂志上的一篇论文介绍了这个系统，它基于一个可编程自旋玻璃，拥有5000个量子比特(经典计算中比特的量子当量)。

“这项工作验证了量子退火背后的原始假设，从20世纪90年代进行的一些开创性实验中走了一圈，”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。

“这些最初的实验采用大块自旋玻璃合金，并将其置于不同的磁场中，观察结果表明，如果我们制造出可编程量子自旋玻璃，它可以比类似的经典算法更快地降低到低能状态的优化问题。”2014年发表的一篇科学论文试图在D-Wave 2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和他的同事们通过提高D-Wave优势处理器(D-Wave最近开发的量子计算系统)的连接性和相干性，实现了量子加速。他们最终将该处理器推向了一个没有热效应的相干退火制度，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可以控制的5000量子位自旋玻璃系统。然后他们用这个系统来解决不同的优化问题。

艺术家对3D优化问题的解释是用D-Wave Advantage处理器解决的。

“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;量子退火比模拟热退火显示出缩放优势，”King说。“我们的是有史以来最大的可编程量子模拟;以经典的方式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量子位的系统，并将其应用于一个简单的一维问题，该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两倍的系统，并将其应用于无法使用经典计算工具模拟的问题。

“出于几个原因，D-Wave基于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。“首先是尺寸:我们研究了从非常小的自旋玻璃(250个量子比特)到非常大的(5000多个量子比特)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:我们在三维几何结构中编程量子位网络，单独调整每个量子位之间的相互作用。”

研究人员在一个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5000量子位自旋玻璃系统中，他们最终展示了在优化问题上的缩放优势。

金说:“我们对量子效应有一个清晰的认识，也有非常明确的证据，无论是理论的还是实验的，都表明量子效应比经典方法在计算尺度上有优势。”“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代术语之间的区别，我们没有证明这一点。门型量子计算机还没有显示出任何接近这种优化的能力，我个人也不相信它们会有这样的能力。”

根据他们最近的工作，King和他的同事认为，在优化问题上，量子退火总是比门模型表现得更好。这就是D-Wave目前专注于开发这两个平台的原因。

金说:“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是争论的主题。”“虽然这一争议已经被之前的研究所驳斥，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实现的5000量子比特系统是对量子计算领域的重大贡献，它特别强调了使用量子计算系统解决优化问题的潜力。他们最近的论文集中在通过精确控制大系统的量子动力学来获得在优化问题上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相干性的影响，”金补充说。“目前正在开发的Advantage2处理器有望在这一领域取得重大进步，所以我们真的很高兴看到我们能做些什么，不仅是在为客户应用改进优化方面，而且在相干退火方面也有更多的奇异实验。”

更多信息:Andrew D. King等人，5000量子位可编程自旋玻璃中的量子临界动力学，Nature(2023)。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 05867 - 2

期刊信息:科学，自然