2048退火量子计算机首次演示拓扑相变 量子模拟技术的又一突破

　　D-Wave 系统公司在 Nature 杂志发表了一项里程碑式的研究，使用 2048-qubit 的退火量子计算机演示了拓扑相变，证明完全可编程的 D-Wave 量子计算机可以大规模地用作量子系统的精确模拟器。

　　量子计算机的主要应用之一是模拟自然量子现象，在最近发表的一项研究中，来自加拿大 D-Wave 系统公司的研究人员演示了如何做到这一点。

　　他们模拟的现象涉及与薄膜超导性和超流性相关的拓扑相变。这被称为 Kosterlitz-Thouless 相变，其发现者布朗大学的 Michael Kosterlitz 和华盛顿大学的 David Thouless 共同获得 2016 年诺贝尔物理学奖。

　　8 月 22 日，D-Wave 系统公司在 Nature 杂志发表了一项里程碑式的研究，使用 2048-qubit 的退火量子计算机演示了拓扑相变。这种复杂的材料量子模拟是减少耗时且昂贵的物理研究和开发的重要一步。

　　

　　这张图的下半部分是一个 2048-qubit 的 D-Wave 2000Q 处理器，用来模拟图的上半部分描绘的量子磁系统的行为。（via：D-Wave Systems）

　　论文题为《在 1800 量子比特的可编程晶格中观察量子拓扑现象》（Observation of topological phenomena in a programmable lattice of 1，800 qubits）。

　　

　　29位作者写作的论文

　　这项工作标志着该领域的一个重要进展，并再次证明，完全可编程的 D-Wave 量子计算机可以大规模地用作量子系统的精确模拟器。

　　这项研究中使用的方法可能对新材料的开发具有广泛的影响，它实现了 Richard Feynman 对量子模拟器的最初设想。

　　这项新研究紧跟 D-Wave7 月份在 Science 上发表的另一篇论文之后，那篇论文展示了在量子自旋玻璃模拟中的一种不同类型的相变。这两篇论文共同表明了 D-Wave 的量子计算机在材料量子模拟中具有灵活性和通用性，以及在优化和机器学习等其他任务上的良好表现。

　　源自费曼的想法，模拟诺贝尔物理学奖的发现

　　1982 年，理查德 · 费曼（Richard Feynman）提出用可编程量子计算机模拟复杂系统的量子物理的想法。 在过去的 35 年里，利用量子力学来模拟自然的潜力推动了量子计算领域的发展。

　　现在，来自 D-Wave Systems 和 Vector Institute 的研究人员在完全可编程的 D-Wave 2000Q 退火量子计算机中展示了拓扑相变（topological phase transition）的模拟——这是 2016 年诺贝尔物理学奖的主题。

　　这种现象被称为 “Kosterlitz-Thouless （KT） 相变”，正是这个发现让 J. Michael Kosterlitz 和 David Thouless 获得了 2016 年诺贝尔物理学奖。这种相变对于理解薄膜中的超导性和超流性是至关重要的，并且已经在许多奇异的物理系统中观察到，例如玻色–爱因斯坦凝聚（BoseEinstein quasicondensates）。

　　

　　量子磁体的可编程模拟。（a）2048-qubit D-Wave 2000Q 处理器用于模拟方形八边形晶格（b）上的量子磁系统，使用为三角形晶格（c）开发的理论框架。

　　D-Wave 的研究人员通过编程 D-Wave 2000Q 系统，形成一个二维的人造自旋晶格，从而证明量子拓扑现象。如果没有量子效应，模拟系统中观察到的拓扑性质就不可能存在，这与理论预测非常吻合。

　　以前已有研究使用更传统的模拟方法对 Kosterlitz-Thouless 相变进行建模。这次，D-Wave 使用完全可编程的 2048-qubit 退火量子计算机，实现了与经典模拟一致的结果。

　　D-Wave 的 2000Q 计算机利用超导量子干涉装置通量量子比特（flux qubits），或称SQUID，制作成集成电路。与表示 1 或 0 的确定值的经典比特不同，量子比特可以在计算过程中同时表示 0 和 1。

　　

　　拓扑相变附近阶次的模拟。

　　精确模拟涉及 1800 个量子比特

　　D-Wave 处理器与传统模拟之间的定量一致性验证了量子模拟的结果。该系统的对称性使其具有极高的灵敏度，精确模拟涉及 1800 个量子比特，这代表了量子模拟中自旋相互作用的高保真控制和可编程性方面的突破。

　　这种模拟以及最近 D-Wave 处理器对 3D 晶格的模拟表现出一定程度的复杂性和可编程性，远远超出了以前的研究在量子计算领域中所证明的任何东西。

　　多年来，研究人员一直在争论 D-Wave 的计算机是否真的具有量子效应。这两项研究进一步证实了 D-Wave 的计算机具有量子效应。

　　“这两项研究证明了两种完全不同的量子模拟的能力…… 这说明 D-Wave 量子计算机具有可编程性和灵活性，”D-Wave 的 Andrew King 说，他是 Nature 这篇论文的主要作者。“这种可编程性和灵活性是理查德 · 费曼（Richard Feynman）最初设想的量子模拟器的两个关键要素。”

　　2016 年诺贝尔奖获得者 J. Michael Kosterlitz 博士说：“这篇论文代表了物理系统模拟领域的一大突破，否则基本上是不可能得到证明的。”

　　他说：“这个测试重现了大部分预期结果，这是一个了不起的成就。这给了我们希望，未来的量子模拟器将能够探索更复杂、更难以理解的系统，以便人们能够在定量细节上信任模拟结果，将其作为物理系统的一个模型。我期待看到这种模拟方法在未来的应用。”

　　D-Wave 的首席科学家 Mohammad Amin 博士说：“这项工作代表了量子计算领域的一个里程碑：第一次，在用真实的磁性材料进行验证之前，在量子模拟中实现了理论预测的物质状态。”

　　“这是朝着实现量子模拟的目标迈出的重要一步，使得在实验室将材料制造出来之前就能够研究材料的特性，这个过程在今天是非常昂贵而且耗时的。”

　　D-Wave 系统公司已经从众多知名投资人那里吸引了超过 2 亿美元的资金，其中包括Amazon 创始人 Jeff Bezos 的风险投资基金、高盛和 In-Q-Tel。洛克希德 · 马丁公司（Lockheed Martin）、Google、美国国家航空航天局（NASA）、洛斯阿拉莫斯国家实验室和橡树岭国家实验室都是 D-Wave 的客户。