D-Wave发布下一代量子退火芯片

今天，量子计算公司D-Wave宣布推出其下一代量子退火机，这是一种利用量子效应解决优化和最小化问题的专门处理器。硬件本身并不令人惊讶--D-Wave在几个月前就在讨论它的细节--但D-Wave与Ars谈到了建造一块拥有100多万个量子设备的芯片所面临的挑战。该公司正在将硬件的发布与一种新的软件堆栈的可用性结合起来，这种软件堆栈的功能有点像量子硬件和经典计算机之间的中间件。

谷歌和IBM等公司正在制造的量子计算机是基于门的通用机器。它们可以解决任何问题，并且对于特定类别的问题应该表现出极大的加速。或者他们会的，只要星门的数量足够高。目前，这些量子计算机仅限于几十个门，没有纠错功能。使它们达到所需的规模带来了一系列困难的技术挑战。

D-Wave的机器不是通用的；从技术上讲，它是一台量子退火机，而不是一台量子计算机。它进行计算，找出硬件量子设备不同配置的低能量状态。因此，只有当计算问题可以在芯片的可能配置之一中转化为能量最小化问题时，它才会起作用。这并不像听起来那样有限，因为许多形式的优化都可以转化为能量最小化问题，包括复杂的日程安排问题和蛋白质结构。

最容易把这些构型想象成一片有一系列山峰和山谷的景观，解决问题就相当于在景观中寻找最低的山谷。D-Wave的芯片上的量子设备越多，它就能越彻底地对景观进行采样。因此，增加量子比特数对于量子退火机的实用来说是绝对关键的。

这一想法与D-Wave的硬件非常匹配，因为将量子比特添加到量子退火机中要容易得多；该公司目前提供的产品有2000个量子比特。这也是一个容错问题。虽然基于门的量子计算机中的错误通常会导致无用的输出，但D-Wave机器上的故障通常意味着它返回的答案是低能量的，但不是最低的。对于许多问题，合理优化的解决方案就足够了。

不太清楚的是，这种方法是否提供了比经典计算机上运行的算法明显的优势。对于基于门的量子计算机，研究人员已经计算出了显示量子优势潜力的数学。但量子退火的情况并非如此。在过去的几年里，D-Wave的硬件在很多情况下显示出了比传统计算机明显的优势，结果却看到经典方面的算法和硬件改进的结合消除了这种差异。

D-Wave希望被称为优势的新系统能够在性能上表现出明显的差异。在今天之前，D-Wave提供了一个2000量子比特的量子优化器。Advantage系统将这一数字扩大到5000人。同样重要的是，这些量子比特以其他方式连接在一起。如上所述，问题被构造为机器的量子比特之间的连接的特定配置。如果任何两个之间的直接连接不可用，则必须使用一些量子比特来建立连接，因此不能用于解决问题。

这台2000量子比特的机器在其量子比特之间总共有6000个可能的连接，每个量子比特平均有3个连接。这台新机器将总数提高到35000个，平均每个量子比特有7个连接。显然，这使得可以在不使用任何量子比特建立连接的情况下配置更多的问题。D-Wave共享的一份白皮书表明，它的工作方式与预期一致：更大的问题适合硬件，需要用作连接其他量子比特的桥梁的量子比特也更少。

芯片上的每个量子比特都是超导线环的形式，称为约瑟夫森结。但是芯片上有5000多个约瑟夫森结。D-Wave的处理器主管马克·约翰逊(Mark Johnson)告诉美国退休人员协会(ARS)，其中最大的份额涉及超导控制电路。它们基本上就像带存储器的数模转换器，我们可以用它来编程解决特定问题。

为了达到所需的控制水平，新芯片总共有100多万个约瑟夫森结。约翰逊说，让我们客观地看待这一点。我的iPhone上有一个处理器，上面有数十亿个晶体管。因此，从这个意义上说，这并不是很多。但是，如果你熟悉超导集成电路技术，那就太离谱了。连接所有东西还需要超过100米的超导导线--所有这些都在一块大约有缩略图大小的芯片上。

虽然所有这些都是使用硅上的标准制造工具制造的，但这只是一种方便的衬底-芯片上没有半导体器件。约翰逊不能透露制造过程的细节，但他愿意更笼统地谈论这些芯片是如何制造的。

这一工艺与标准芯片制造的最大区别之一就是产量。D-Wave的大部分芯片都安装在自己的设施中，客户可以通过云服务访问；只有少数芯片是在其他地方购买和安装的。这意味着该公司不需要制造太多芯片。

当被问及它制造了多少台计算机时，约翰逊笑着说：“我最终会像这位预测世界上永远不会超过5台计算机的人那样，然后继续说，我认为我们可以用十几台或更少的计算机来实现我们的商业目标。”

如果该公司生产的是标准半导体器件，那就意味着只生产一块晶片，就到此为止了。但D-Wave认为它已经取得了进步，它已经达到了从每个晶片上拿出一个有用的设备的地步。约翰逊在接受“每日邮报”采访时表示：我们一直在不断超越台积电或英特尔的舒适区，在那里，你在寻找我的收益率能达到多少个9。如果我们有这么高的收益率，我们可能还不够努力。

在这款新处理器问世之前的几年里，很多推动力都出现了。约翰逊告诉ARS，更高水平的连接需要一种新的工艺技术。他告诉ARS，这是我们大约10年来第一次在技术节点上做出重大改变。我们工厂的横截面要复杂得多。它有更多的材料，更多的层次，更多类型的设备和更多的步骤。

除了制造设备本身的复杂性之外，它在毫开尔文温度范围内工作的事实也增加了设计挑战。正如约翰逊所指出的，从外部世界进入芯片的每一根电线都是一个潜在的热量管道，必须被最小化-这也是大多数芯片制造商没有面对的问题。