關注量子計算的朋友，一定注意到最近東京大學與東芝公司在量子計算方面的新聞發布。前者說的是，東京大學為實現終極光量子計算機的心臟邁進了一步，後者說的是，東芝公司開發出了世界上最快、解決最大規模組合最適化問題的「數字煺火」演算法——「模擬分歧演算法」。
這些發明究竟意義何在呢？要回答這個疑問需要對量子計算有一定的理解。
通過許多科普讀物，一般讀者也知道量子計算是一件了不起的技術。量子計算機的運算速度會遠超現有的超級計算機，可用於高速數據庫檢索、開發功能性材料及藥物等各領域。筆者曾在《客觀日本》撰文《誰抓住了薛定諤的貓？——日本對量子計算的貢獻》，簡單介紹了量子計算的原理與處理器以及演算法。
量子計算的原理是基於量子力學，即利用量子疊加抑或量子糾纏的原理來計算機率，而非傳統計算機的精確計算。所以，量子計算最擅長的是「在海量數據裏瞬間尋找最佳組合，更適合於開發新藥，人工智慧，天氣預報等等」。
從物理可用能上講，量子計算機有原子、離子、超導電路等類型的量子計算機，也有光量子計算方式的量子計算機。與前者相比，後者運算規模巨大，可在室溫下、空氣中運行，能克服量子噪音極限，適用於光通訊。而且，光量子計算機不需要巨大的冷卻設施和真空設施，更便於實際應用。
然而，光學量子計算主要以光量子的偏振自由度、角動量等為量子位元，光學的邏輯閘操作主要通過偏光玻璃實現。光量子是飛行位元，存儲光量子比較困難。這些條件限制了光量子計算機的開發，很難實現多個量子糾纏。光學目前可以做到10個糾纏光量子，進一步往上提高非常困難，成功的機率非常小。
東京大學發明的光量子計算方法，是通過在光路上連成一列具有時間先後的光脈衝，用最小規模光電路結構有效進行大規模運算操作。據東京大學古澤明團隊在2017年9月發表在《物理可用能評論快報》上的報告稱，他們的方法理論上可處理100萬個以上量子位元的大規模運算。這一方法的重點在於：利用環道結構的光電路，無限反復使用一個運算基本單位，即「量子隱形傳態」電路，進行大規模數子計算。由於光電路規模可小至極限以及計算效率的提高，該系統避免了利用量子糾纏狀態計算方法的缺陷。
2019年5月18日，東大新聞發布稱，已開發成功相當於上述方法的心臟部分，即可切換功能的量子電路的基本結構。由此，實現了用最小限度的電路也可自由地合成各種量子糾纏的光脈衝，從而實現高效且通用的量子糾纏操作。這可以說是「終極大規模光量子計算機」方式的計算原理的本質的動作（如下圖所示）。
可見，這一發明是左右光量子計算機發展的核心技術。
光有物理可用能硬體上的突破還是不夠的，必須有軟體的配合。而東芝公司的「模擬分歧演算法」，使用了古典力學中的分岐現象、斷熱過程、和埃格德過程這三種現象，並快速找出準確答案。這種技術有很高的並行性能。不僅可以短時間内獲得現有技術上困難的複雜、大規模組合最適化問題的高精度的近似解，而且可以利用現有計算機的低成本大規模計算功能，從而有可能一舉改變目前的最適化過程。
其實，這種演算法是一種迫不得已的權宜之計。之所以開發這種演算法，還在於量子計算機目前的處境所限。
我們知道，量子計算機主要有三種形式，硬體上實現的手段分別是：超導、半導體、離子阱。超導電路的量子計算機，目前很難處理大規模複雜的問題。另一方面，半導體數字計算機容易處理更大規模的問題，但使用的傳統演算法卻難以實現並行化，原則上很難通過並行計算實現高速化。
所以，利用現有成熟的技術來實現同樣效能的想法就再自然不過了。事實上，富士通與日立就是基於這樣的思路設計出「基於數字退火的量子計算機」。
東大與東芝分別從硬體與軟體方面發力，進取量子計算，不啻於該領域的福音。
供稿 戴維
編輯修改 客觀日本編輯部
