当前,全球量子计算竞争白热化,包括美国、中国、俄罗斯、朝鲜和大多数欧洲国家都在开展相关研究,以获取量子计算优势。美国防高级研究计划局(DARPA)正在开展“噪杂中型量子优化”(ONISQ)项目,试图通过融合传统和量子计算来越级提升当前计算技术,以解决广泛的组合优化问题。在完全可操作量子计算机技术未成熟前,该项目有望大幅提升现代计算机性能,并将产生国家安全、商业和全球影响。奇安网情局编译有关情况,供读者参考。

混合系统能够解决常见且具挑战性的问题。未来,任何试图解决资源有限问题的人,都可以从量子和经典系统的混合计算机中受益。

混合计算机能够有效解决特定类型问题,例如战略资产部署、全球供应链、战场后勤、包裹投递、计算机芯片电子器件最佳路径和网络节点设置。该研究还将影响到机器学习和编码理论。

对于人类甚至当前的计算系统而言,这些组合优化问题通常复杂到难以解决。美国亚特兰大佐治亚理工学院研究所(GTRI)量子系统部科研人员克莱斯顿·哈罗德称,用“组合优化问题”来描述商业和后勤所有方面的问题令人生厌。

“组合优化”一词虽然不为众人所知,但很多人对这种挑战却非常熟悉。哈罗德称,无论他们知道与否,那些指望从A点到B点获取东西的人,以及那些指望解决资源有限问题的人,都在应对组合优化问题;军方关心优化组合问题,政府关心优化组合问题,包裹投递人员也要解决上述问题。

哈罗德是GTRI团队一名成员,该团队正与DARPA合作开展ONISQ项目,对噪杂中型量子设备进行优化。该项目旨在在获取完全可操作量子计算机前利用量子信息处理。这项努力将寻求将中型量子设备与经典系统相结合的混合概念,以解决组合优化问题。

DARPA国防科学办公室项目经理塔季扬娜·丘契奇认同组合优化问题很普遍。她表示,优化无处不在,电子领域、物流领域涉及此问题,制造工厂工作流程也涉及优化问题。她还指出,作为基础性研究项目,ONISQ并非尝试解决任何特定问题,而是开展科学家可接力的基础研究。

计划和调度也是组合优化问题。哈罗德称,对人类来说,组合优化问题很快变得过于复杂。他称,“如果查看很小的例子,感觉就像是在拼图。当它们很小的时候,您的大脑会感到有趣,但是很快您就会遇到人们难以自己解决的棘手大问题。”

“噪杂中型量子(NISQ)”概念大约三年前由物理学家约翰﹒裴士基提出。NISQ指的是相对近期开发的量子计算机。它们被认为是“嘈杂的”,因为所涉量子比特(qubits)很容易受到各种环境因素的干扰,比如细微的温度、电子或磁场变化。这些因素使量子比特与生俱来地不稳定,并且难以控制。哈罗德解释称,“当致力于开发功能更强大的量子计算硬件时,我们将不得不拥有这些NISQ资源。他们不是很好,里面有很多错误,因为我们还没有纠错能力。”

根据DARPA的ONISQ网站,ONISQ试图通过大幅提升经典系统解决优化挑战的性能,来展示量子信息处理的量化优势。量子处理器达到完全稳定和准确可能需要数十年,但混合系统的成功将成为一个重大突破。

丘契奇称,“这是首个考虑利用NISQ设备开展量子计算的大型项目,NISQ设备非常有限同时也无人涉足,并且可以在相对短期内完成”,“我们甚至不知道最终能力会什么,我们有理由相信我们能够展示量子优势,但这大部分是原理论证展示,我们将在项目后持续开发。”

研究人员提出,一种可能的解决方案是在经典和量子计算间进行问题拆分。经典计算机解决部分难题,量子处理器解决其他难题。哈罗德描述了一种理论场景,其中,云计算资源会决定如何在经典计算机和量子计算机间拆分问题。

哈罗德认为,“你可能运行这些经典启发法,并可以云访问一些量子硬件,然后当经典启发法陷入困境时,或许量子硬件就可以派上用场”,“或者,有可能将问题拆分为多个组块,然后将一些组块发送给量子处理器(真正的难题),然后将它们放回经典处理中。看起来有很多方法,我们将在未来几年内找出如何最好地做到这一点。”

丘契奇指出,50到100个量子比特的量子设备已经存在,并且数字一直在增加。ONISQ的研究人员将负责开发可扩展到数百个量子比特的量子系统,并且寿命更长,同时噪声控制得到改善。

这项为期四年的项目于3月正式启动,分为两个阶段,包括硬件和理论两类研究。今年年初,DARPA向田纳西大学、克莱姆森大学和理海大学领导的团队授予了三份合同,以探索混合计算机解决组合优化问题的理论可能性。该机构还与GTRI、高校空间研究协会(USRA)、哈佛大学校董委员会以及ColdQuanta公司领导的团队签订了合同,开发量子经典计算硬件。每个团队都在寻求不同的潜在解决方案。

GTRI团队包括美国国家标准与技术研究所的离子存储小组,是唯一专门从事陷俘离子研究的团队。哈罗德称,“我们的项目被称为‘陷俘离子量子优化’,简称‘OPTIQ’。”

几年前,GTRI演示了多达四个量子位的通用控制,随后又演示了一种被哈罗德描述为“玩具算法”小量子算法。DARPA项目是先前研究的自然延伸。哈罗德表示,“目标是建立硬件,让我们拥有足够的离子并对其进行控制, 这样我们能够实际解决现实世界中有趣的问题,而不仅仅是玩具。”

同时,USRA正在与美国国家航空航天局(NASA)量子人工智能实验室合作推进DARPA项目。在USRA新闻稿中,官员们报告称,该团队自2012年以来一直在为NASA实验室的计划和调度研究量子算法,从而实现量子门的创新。

ONISQ项目第一阶段将持续约18个月,硬件研发团队被要求展示其技术的初步能力。表现好的团队将进入第二阶段,将持续约两年半。届时,他们将证明其技术比任何其他现有的算法都具有可证明的优势。

丘契奇称,“我们将推动业界建设更大、更好的量子处理器,更大意味着更多的量子比特,更好意味着量子比特有望减少噪声”。团队还必须实施一些优化算法,对其进行表征,并与最著名的经典解决方案进行比较。她补充说,“希望我们能展示出量子处理的优势。”

哈罗德称,证明量子系统能够比传统计算机更好解决组合优化问题是一个严峻的挑战。他补充称,“这是一个非常艰巨的任务。我们将从已经展示的对两个、三个或四个离子控制能力起步,为满足他们的衡量标准并解决有趣的现实世界中的问题,我们需要在一年内将硬件扩展到10或20个离子。随后一年再提供50个离子”,“这对我们来说是一个真正的工程挑战。俘获这些离子并不难,但是要真正控制它们并利用它们真的很困难。”

竞争十分激烈。包括美国、中国、俄罗斯、朝鲜和大多数欧洲国家在内的政府都在竞相获取量子计算优势。行业也热衷于此。仅在美国,谷歌、IBM、英特尔、微软和许多较小的公司都在投资开展量子计算研究。哈罗德称,“从大型公司到初创公司,有数十家硬件计算公司正在开发量子计算硬件,并且还竞相真正展现可用的量子优势”,“这是真正的冲刺。”

他将量子优势定义为“真正的利用机器完成任何其他方式或其他技术无法完成的事,无论是以相同的时间量和准确性”。

GTRI研究人员专注于利用激光俘获离子。一些激光聚焦所有离子,另一些聚焦单个离子。哈罗德称,“仅仅扩展我们的光学装置,以便利用聚焦光束获得尽可能多的离子就是工程挑战之一。之后,我们还必须确保尽可能消除与所获离子的环境交互影响”,“这些模态中的任何其他环境噪声都可能搅乱我们正在尝试进行的计算,因此,我们正在尝试将其隔离,并仅使用我们选择的激光束对其进行控制,并尽可能推进上述尝试。”

混合计算解决方案研究尚在早期阶段,科学家还不知道结果或者说影响会是什么。丘契奇称,“在这个项目中,我们真的涉足了无人开展的科学研究。我们正在探索未开发领域。以前没有人处理这么多的量子比特。”

声明:本文来自奇安网情局,版权归作者所有。文章内容仅代表作者独立观点,不代表安全内参立场,转载目的在于传递更多信息。如有侵权,请联系 anquanneican@163.com。