量子退火算法(量子退火与模拟退火)
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如何用 IT 业者能听懂的话介绍量子计算的原理?
1.量子在未被观察的时候,处于未知状态,也就是各种可能状态的混合体。比如一个品德相对良好的人,他捡到钱包会归还的概率是80%。那么在没捡到钱包的时候,他是 80%归还+20%不归还的状态。2.而一旦观察后,量子状态会坍缩为某一特定状态。也就是万一那个人捡到了一个钱包,他当时的反应是归还,就坍缩为归还,否则是 不归还。3.我能够理解在比普朗克时间尺度更大的时间尺度上,一个东西的状态可能是同时存在的。比如假设我一秒能移动2米,那么在移动中的我就可以在1s内处于相距2米的两个状态(1个状态是1s开始的,1个是1s结束时的)。再举一个时间尺度更大的,比如我2016年往返于老家和工作地,那么也可以说2016我同时存在在 老家和工作地。但我不知道有没有理论是说粒子可以在普朗克时间尺度上同时存在两个不同状态。4.对于量子计算,我的理解是,一个租型量子位可能有多个状态,那么进行计算后也可以有多个结果。比如因式分解15,1个量子位弊槐猜可能状态有1,2,3.。。那么计算结果可能同时有1*5, 2*5, 3*5。这其中会有一个是正解。但我无法理解的是,当你取结果的时候,量子会坍缩为哪一个结果是不确定的,难道不是有可能你取结果的时候,得到的是错误的那一个么(比如结果坍缩为2*5)?这样的话,岂不是还要进行多次计算,那他相对普通计算有什么优势??难道有方法控制坍缩的结明蚂果状态无法理解。
[img]什么算法没有涉及到量子算法
量子退火算法没有涉及到量子算法。根据查肢橡询相关信息显示,量子退火算法的提出者是西森教授,人类第一个商用量子计算机Dwave和另一个非常重要的扒指算法量子退火,典型量子算法包括,Shor算法,Grove算法,HHL算法,量子机器学习与深度学习算法。历此旁
量子计算机是否需要算法
1)首先从量子算法理论来看。量子计算机需要特定的量子算法才能发挥出量子计算的强大威力。但是,并不是所有的计算都可以用量子算法加速。虽然量子算法绝不会比传统算法慢,但能像Shor算法和Grover算法那般完全超越传统算法的其实比较少见。枣局销不少问题上我们暂时都还没有得到很好凳游的量子算法。
(不过,人工智能/机器学习里很核心的优化(optimization)过程却很幸运地与量子计算是天作之合。这个之后再说。)
2)再从实践来看。Dwave这家量子计算机公司开发了世界第一款商业量子计算机。但实际上,这款量子计算机不是通用量子计算机,并不能运行所有的量子算法。Dwave实际上是一台量子退火机(quantum annealing machine)。它的主要工作方式是调整伊辛模型的参数来构造满足某优化问题所对应的量子态,再用量子退火算法来求解。腊源(Google愿意花1000万美金买一台Dwave,再建立Quantum AI Lab就是看中了Dwave在人工智能上的强大功能。目前512qubit机所模拟的最复杂的人工智能问题都能在1s左右解决。)
通用量子计算机是一个超出目前科技水平太多的技术。以至于大多数科学家更愿意研究具有特定量子结构的量子计算机,用来执行特定的量子计算功能。比如说Google有一项量子计算需求,就为此配一台能专门完成这项量子计算的量子计算机就能运行的很好,搞不定的部分再交给电子计算机处理分工处理就行。
想一想量子退火机尚且要在20mk的温度下才能运行。通用量子计算机得多么复杂、精密且昂贵,而且至今没有好的方案。量子点、核磁共振、量子光路、超导环等所有可能的途径都有科学家在研究。
优于现有量子计算机性能 日本量子退火机真有这么牛?
日前,据日媒报道,日本国立情报学研究所等机构证实,其开发的、采用新计算方式的高速计算机,拥有超过现有量子计算机的性能。这台计算机名为“Coherent Ising Machine”,其设计目的是为快速解决组合优化问题。
“准确地说,这台计算机是日本科研人员用光学器件构成的量子退火机,和加拿大D-Wave公司用超导器件构成的量子退薯友火机放在一起比较,日本的量子退火机在某些指标上相对优越。”韩正甫说。
新研高速计算机实为量子退火机
量子计算机是利用量子力学原理进行运算的计算机,其被视作计算速度远超现有计算机的“梦幻设备”。“当前,量子计算业界的目标是,打造一款通用的量子计算机:它不仅能解决任何运算问题,其运算速度还能超越当今最快的超级计算机。”韩正甫介绍道。
实际上,量子计算的概念早在上世纪80年代就已被提出,其基础理论也在上世纪90年代和本世纪初得到突破,但真正意义上的通用量子计算机却迟迟没有问世。
“研发通用量子计算机的难度非常大,目前仍未有重大突破。”韩正甫说,所以一部分科学家另辟蹊径,研发技术难度相对较低的专用量子计算机,即量子退火机。
退火的概念源于金属加工领域,是指给金属升温,使其温度高于再结晶温度并维持一段时间,再将其缓慢冷却。所谓量子退火,就是当缓慢地调控量子的微观体系时,量子状态也会随之发生细微的变化,最后趋于能量最低的基态。这与金属退火现象很类似,故相关量子计算机被称为量子退火机。
受到加拿大D-Wave公司成功经验的启发,原美国斯坦福大学教授山本(Y. Yamamoto)回到日本,与日本电信电话株式会社和日本国立情报学研究所的日本同事一起研发日本的量子退火机。
“与加拿大D-Wave公司采用超导器件不同,日本的研究组采用了他们熟悉的光学技术。”韩正甫说。
日本山本课指手掘题组于2016年在《科学》杂志以《全联通、可编程的100个自旋的Coherent Ising Machine》为题,报道了他们的100个自旋的量子退火机。接着近年来不断发表相关文章,其量子退火机的自旋数目,也从100个增加到5万个。
日前,山本课题组在《科学》子刊《科学进展》杂志以《实验比较Coherent Ising Machine和量子退火机的性能》为题,报道了他们的5万唯核个自旋的Coherent Ising Machine,并与加拿大D-Wave公司的2000个自旋的量子退火机进行比较,指出前者性能在某些指标上更优秀。
计算性能排名学界尚无定论
组合优化问题是指,给定一些约束条件,寻找某个多变量目标函数的极小值,这个极小值也被称为全局最优解。通常情况下,找到全局最优解非常困难,往往只能找到局部最优解。组合优化问题在现实生活中很常见,如货物运输时要寻找最优路径、或分配大量人员时寻求最优调度等。
“从计算科学角度来讲,寻找全局最优解的计算难度,随着问题规模增大而提升。”涂涛说,问题规模变大后,组合优化问题就会出现更多变量,这时目标函数也会变得更复杂,可能会出现大量局部极小值点,使找到全局极小值变得异常困难。
对于日媒提出的“采用新计算方式的高速计算机拥有超过现有量子计算机的性能”这一说法,天津大学计算机科学与技术系教授曲日表示,在理论上,目前学界还未证明量子计算、经典计算、Coherent Ising machines,哪一个就一定比其他两个更有优势。“只能说,以一般的学术观点来看,日本科研人员在Coherent Ising machines量子计算模型上,针对特定问题,发现了比经典计算机现有算法更优秀的算法,即计算复杂度更小的算法。”曲日说。
量子计算强大仅是理论预测
那么,同样是用量子退火的方式,相比加拿大D-Wave公司的量子退火机,日本研制出的机器,其性能领先在哪儿?
目前,加拿大D-Wave公司构建量子退火机所利用的超导器件,其可控的量子位数目为2000个。与之相比,日本所用的光学器件,其可控的量子位数目已达5万个。由于后者量子位数目更大,因而可解决更复杂的问题;同时,后者底层器件是光学器件,与加拿大D-Wave公司的超导器件相比,机器无需低温环境存放,稳定性高、可控性好。
例如,超导磁通器件,其可取代传统的半导体器件来构成超导计算机。它的优势在于低能耗,有望应用在超级计算机等高能耗领域。再如,非线性光学器件,其可取代传统的半导体器件,来构成光计算机。它的优势在于光学模式数较多,有望应用于并行计算领域。除此之外,还有被誉为“变形金刚”的拟态计算机,以及以生物形式打造的DNA计算机等。
“在传统计算机的基础上,下一代计算机逐渐向大数据、人工智能、移动互联网、云计算等方向发展,这些构成了我们目前计算技术的主流发展方向,相关技术有的甚至已经应用在日常生活中。”曲日表示,还有一些新的计算方式,目前还处在实验室研究阶段,离人们的现实生活有很长的距离。
迄今为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机,但世界各国科学家正以极大的热情,努力实现这个梦想。
“量子计算机使计算的概念焕然一新,这是量子计算机与其他计算机,如光计算机、生物计算机等的不同之处,其作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。”韩正甫表示,“我们说量子计算机计算能力强大,目前还只是从理论上给出的预测。至于量子计算机究竟能跑出怎样的成绩,目前还不得而知。”
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