在 20 世紀 70 年代早期，理論物理學家 Vadim Berezinskii，J.Michael Kosterlitz 和 David Thouless 預測了一種以非平凡拓撲性質為特徵的新物質狀態。這項工作於 2016 年被授予諾貝爾物理學獎。

而坐落於加拿大本那比的量子計算系統和軟件公司 D-Wave Systems 的研究人員，通過對 D-Wave 2000Q™系統進行編程以形成二維人造自旋點陣證明了這一現象。可完全編程的 2048 量子比特退火量子計算機模擬出了 2016 年獲得諾貝爾獎的一種拓撲相變：Kosterlitz-Thouless 相變。

這項研究通過同行評議後，於 2018 年 8 月 22 日發表在期刊《自然》（Nature）上。這項工作標誌著該領域的一個重要進展，再一次證明了 D-Wave 公司的可完全編程的量子計算機可以作為大規模量子系統的精確模擬器。同時，這個工作為更低成本、更快速度的材料實現提供了基礎。

圖 | Nature 在 8 月 22 日刊登了 D-Wave 的最新成果（來源：Nature 官網截圖）

“這篇發表在《自然》的工作代表了量子計算領域的一個里程碑：這是首次在真實的磁性材料實現之前，在量子模擬器中實現理論預測的物質狀態。”D-Wave 首席科學家 Mohammad Amin 博士說，“這是實現量子模擬目標的重要一步，使得人們可以在實驗室製備樣品前對材料屬性進行研究，而製備樣品目前來看可能非常昂貴且耗時。”

“D-Wave 對 Kosterlitz-Thouless 相變的量子模擬是一個激動人心且有影響力的成果。它不僅有助於我們理解量子磁學中的重要問題，而且還展示了通過包含有限個量子比特的自旋映射系統，這一系統新穎有效地解決了計算難題，併為更廣泛的應用提供了新的可能性。”美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學，技術和工程副主任 John Sarrao 博士說。

首次大規模量子模擬拓撲相變實現

D-Wave 公司在這次研究中模擬的 Kosterlitz-Thouless 相變，對薄膜超導性和超流性的研究至關重要。

在這項研究中，橫向場 Ising 模型證明了這種現象的觀察，該量子模型由 D-Wave 處理器設計實現。而在相應的經典 Ising 模型中，由於沒有旋轉自由度，因此不存在拓撲現象。量子波動的增加可完全改變系統的性質，如一種被稱為“order by disorder”的現象。橫向場 Ising 模型中的拓撲相變目前只能通過理論工作和經典模擬預測，從未在實驗中證明過。而編程這種磁性量子系統的靈活性對於實現在如下圖所示的晶格中的現象至關重要。

圖 | a, 橫向磁場伊辛模型中的拓撲性質。b, 模擬得到的正方-八角形點陣關於溫度和橫向磁場的相圖。（來源：D-Wave/Nature）

D-Wave 處理器與傳統模擬之間的一致性，強有力的驗證了量子模擬的結果，同時，也證實了 D-Wave 實現大規模量子模型應用的能力。由於存在許多對稱性，系統極其敏感，其精確模擬涉及 1800 個量子比特，代表了量子模擬中自旋相互作用的高保真控制和可編程性的突破。

D-Wave 2000Q™系統由 1800 個超導磁通量子比特（superconducting flux qubit）組成，這些磁通量子比特由現代微電子工藝集成加工而成。這種量子比特和經典比特最大的不同是它們具有量子效應，可以同時處於「0」和「1」的疊加態上。

如果量子計算機的實際工作方式與研究人員的期望相同，那麼人們在製造特殊功能的超導體和其他材料之前就可以用量子計算機得到它們的性質，並在必要時做出及時調整。

圖 | D-Wave 研究的正方—八角形 (a)，三角形幾何阻挫結構 (b)。c, 三角反鐵磁點陣的 6 個經典基態和橫向場作用下的 6 個微擾基態。這些態可以映射到複數域贗自旋上。（來源：D-Wave/Nature）

從爭議不斷到前途明朗

作為量子計算領域的熱門話題，D-Wave 公司自 2011 年推出第一臺量子計算機 D-Wave One 後就飽受爭議。一些科學家之前表示，D-Wave 的量子計算機是否真的利用量子現象實現計算還不確定，它是否比經典計算機更有優勢也不確定。

2014 年，發表在預印本網站 arXiv 上的一篇論文稱，用一個簡單的經典模型就可以解釋包含 108 個量子比特的 D-Wave One 的輸入輸出行為。

2015 年，谷歌宣稱使用 D-Wave 的量子計算機在解決某些問題的時候比傳統計算機快了 1 億倍。但接著瑞士蘇黎世聯邦理工大學教授 Matthias Troyer 就提出了質疑，表示該實驗設置的問題本來就是“一個對普通模擬退火很難，而對 D-Wave 的量子退火算法很容易的問題”，對這個算法稍作修改 D-Wave 的優勢就變小了不少，而對於一些更復雜的問題，普通電腦甚至比 D-Wave 要快。

也有批評人士說，D-Wave 應該多發表學術論文來證明他們的創新，而不是開發佈會。

最近發表於《自然》和《科學》（Science）這兩個世界頂級期刊的兩篇 D-Wave 論文對這些批評者們做出了強有力的回擊。他們用自己的設備模擬了兩種截然不同的重要物理現象。

圖 | 完全可編程退火量子計算機模擬 2016 年諾貝爾獎背後的現象。（來源：D-Wave）

上個月，D-Wave 在《科學》上發表的一篇論文中指出，D-Wave 的計算設備有能力對量子系統進行模擬。在論文中，D-Wave 的研究人員嘗試設計了一個量子系統的弛豫模型，系統的設置與 D-Wave 計算機本身使用的計算位設定類似。這將允許研究人員對該量子系統進行模擬，進而檢查量子相變。雖然這並不是目前量子計算機的最佳表現，但這篇論文表明它確實能讓研究人員在相關量子系統經歷相變時調整系統參數。

在展示了量子自旋玻璃模擬中的不同類型的相變之後，最近《自然》雜誌發表的新論文中用包含 1800 個量子比特模擬出了二維材料的拓撲相變，並且與理論預測非常吻合。D-Wave 研究人員通過對 D-Wave 2000Q 系統進行編程以形成人造自旋的二維阻挫格子（frustrated lattice）來證明這一現象。如果沒有量子效應，模擬系統中觀測到的拓撲性質就不存在。這種拓撲性質的理論工作曾獲得了 2016 年的諾貝爾物理學獎，而這種性質在未來的材料學，電子學等學科有著廣闊的發展前景。現在，D-wave 的工作使得科學家或工程師們可以很容易的在 D-Wave 量子計算機上驗證自己的設想，而不需要去實驗室辛苦地製備或用超級計算機花費大量時間計算可行性。

這兩篇論文共同表明了 D-Wave 量子計算機在材料量子模擬，優化和機器學習等多種任務中的靈活性和多功能性。

“本文從本質上代表了物理系統模擬的一個重大突破，而這種模擬在其他系統中幾乎不可能。”2016 年諾貝爾獎獲得者 J. Michael Kosterlitz 博士說，“該工作再現了大部分預期結果，這是一項了不起的成就。這使得未來的量子模擬器能夠探索更復雜且瞭解不多的系統，從而使得人們可以信任模擬定量的結果細節，因為它是真實系統的模型。我期待看到這種模擬方法未來的應用。”

“正如我們在《科學》與《自然》雜誌上報道的那樣，使用相同的量子處理器展示了兩種截然不同的量子模擬的能力說明了 D-Wave 量子計算機的可編程性和靈活性，”該工作第一作者 D-Wave 公司 Andrew King 博士說，“這種可編程性和靈活性是 Richard Feynman 最初的對量子模擬器願景中的兩個關鍵因素，併為未來預測更復雜的工程量子系統的行為提供了可能性。”

D-Wave 量子計算未來：從未意圖取代經典計算機

發表在《自然》和《科學》中的成果，推動了 D-Wave 與世界級客戶和合作夥伴在各個領域的實際原型應用程序上的持續合作。客戶已為其開發了 70 多個原型應用程序功能涵蓋優化、機器學習、量子材料科學、網絡安全等。許多原型應用程序的結果表明，D-Wave 系統在前商業化階段，在性能或解決方案質量方面接近並有時超越傳統計算。隨著 D-Wave 系統和軟件功能的擴展，這些原型應用程序將顯示出在量子計算機上獲得成倍的增長優勢的潛力。

但是，這樣批評的聲音可能還會存在：此次量子模擬只能實現對 stoquastic 量子模型的模擬，並未真正超越經典計算機可模擬的範圍。

D-wave 的成果的確令人印象深刻，但他們的計算機僅僅能加速某些特定的問題，而不是一臺通用量子計算機，能加速各種問題。然而，正如我們年初 EmTech China 全球新興科技峰會上的嘉賓、D-Wave 公司 CEO Vern Brownell 所講的：量子計算機的目的並不是取代經典計算機，而是會和它們共存，並在某些特定問題上顯示出自己的優勢。

圖 | D-Wave CEO Vern Brownell 在 EmTech China 上演講（來源：麻省理工科技評論）

而面對未來應用，Vern Brownell 也曾在年初 EmTech 上對 DT 君表示，目前 D-Wave 的量子退火技術的確有著應用上的限制，但是開發人員正努力增加設計上的擴展，雖然一定程度增加了複雜度，但是在對未來量子計算的應用廣度上，就可和英特爾與 IBM 等公司所發展的 Gate-Model 或 TopoLogical 架構相提並論。但 Vern Brownell 也強調，生態的經營是循序漸進的，尤其在新計算架構的經營方面，是很難一步登天的。

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