NASA、軍火商洛克希德·馬丁為何千萬美元買這臺量子計算機？
量子計算機可能是目前最熱門的各類新生技術中，最易遭到誤解的一種。這也難怪，畢竟量子計算機的基本原理立足於最難掌握的物理學概念。這導致人們往往會提出一些荒謬的主張，例如量子計算機能夠帶來“神奇的力量”，而且會構成“迫在眉睫的威脅”。
但這些顯然並非事實——量子計算機的主流應用至少還需要數年甚至數十年之久，而量子演算法對當前流行的各類加密策略的實際破解能力可能還需要幾十年才會變成現實。
不過，專家們表示我們已經進入了量子計算的新時代，不少企業也開始推出商業化產品。IBM公司最近推出了面向商業使用者的裝置，而谷歌、Rigetti以及 IonQ 等廠商也已經或者即將提供對基於雲的量子處理器的訪問服務。與此同時， NASA、美國航空航天製造商洛克希德·馬丁公司（ Lockheed Martin） 以及洛斯·阿拉莫斯國家實驗室（ Los Alamos National Lab） 也從一家小型企業手中購置了價格在1000萬美元到1500萬美元不等的千量子位元量子模擬機——這家企業，正是D-Wave公司。
圖：用於D-Wave量子計算機的光刻掩模
大家可能會好奇，這些巨頭為什麼會在技術發展的早期階段投入如此可觀的資金購買這麼昂貴的裝置。
D-Wave國際公司總裁Bo Ewald在接受採訪時表示，“這主要是面向研究與實驗用途，目前還沒有推出生產型應用。”
既然如此，為何如此大費周張？我們向洛克希德馬丁公司、洛斯阿拉莫斯國家實驗室以及大眾汽車等使用D-Wave計算機的客戶提出了這個問題。研究人員們給出的迴應可以簡單歸納為， 雖然D-Wave方案尚處於早期發展階段，但他們希望能夠最終利用此類裝置解決現實問題——例如預測選舉結果、在交通擁堵中為計程車導航、或者從大量背景噪音中準確識別出關鍵資料 。他們希望能夠儘早從量子計算的思路出發，考量這些難題的處理方式。
截至目前，還沒有誰宣稱能夠提供為大眾帶來量子計算能力的殺手級應用方案。雖然D-Wave公司已經證明，其能夠實現量子計算模擬，但其它機器仍能夠以更快的速度執行類似的任務。然而，如果研究人員藉此不斷改進自己的探索思路，那麼由此帶來的成果，將為未來的D-Wave換代機型或者任何其它量子計算機帶來有力的推動作用。
從廣義角度講，量子計算機是使用“量子位”或者量子位元，而非常規位元進行計算操作的計算機。常規位元只能進行0或1兩種賦值方式，正如只會指向南方或北方的磁體。當計算完成時，量子位元同樣必須取0或1中的一個值，但在計算過程中其卻可以處於介於兩者之間的值。通過亞原子粒子的數學效應，各量子位元之間將相互作用，使得每一個量子位元表現得像是一系列不斷翻轉的磁體。
演算法將負責確定最終值，而最終值可以是這些0和1取值的一種或者多種組合。基於量子數學，其中某些0和1的組合擁有更高的確定機率，而其它組合則被排除在外。
包括 谷歌、Rigetti、IBM以及IonQ（這裡不包括D-Wave）在內的大多數科技企業 都在追求門模型，即 希望實現“通用型”量子計算機 。這意味著，量子位元以常規位元的形式被部署在電路當中，並接收以“門”（即獨立量子力學操作）形式實現的彼此互動的指令。
D-Wave公司則與此不同，他們推出的是所謂“量子退火機”，這更像是一種模擬器而非計算機。 大家可以想象一下，那些不停翻轉的磁體，D-Wave裝置將其表示為超導線圈，其中電流可以朝著順時針或者逆時針方向行進。現在，這些磁體會在外部電場與磁場中翻轉，並最終選擇那些首選、能量最低的指向方位。這種方案只適用於一小部分特定計算用例。
這其中就涉及一種量子效應。如果組合磁體發現一種機率幾近最低的能量配置，但存在一些屏障阻止其達到實際最低狀態，則經典計算機上的演算法可能會在這裡停止。而在量子退火機中，量子位元仍然可以進一步轉換至最低能量狀態——其被稱為“量子隧穿效應”。
這相當於在桌上的罐子當中放入一塊大理石，但同時又希望這塊大理石被放置在地板上——這種可能性只有在量子領域內才可能實現。該退火機實際上每秒會執行大量的翻轉與測量計算，同時不斷改進，直到得出可能的最低能量答案。
這臺機器本身看起來有點像是超級計算機——一個體積與壁櫥相當的巨大黑色櫃體，用於將其中的微波晶片提供極低的工作溫度。而且同樣與超級計算機類似，希望訪問D-Wave機器的人們需要通過自己計算機上的連結接入其處理器，並使用專門的軟體向D-Wave發出指令並接收由D-Wave生成的輸出結果。
D-Wave公司已經打造出具有128、512以及100量子位元的裝置，目前這一紀錄已經提升至2049量子位元。這類裝置容易出錯，且量子位元極易降級為常規位元。關於這些機器的觀點一直存在爭議，不少人甚至認為D-Wave對自己的裝置存在過度吹擂的嫌疑。而且直到現在，量子位元在數量與可控性方面仍然無法給人留下真正深刻的印象，甚至無法承諾其量子位元能夠長期保持穩定而不會降級。
這些計算機只能執行可轉換為上述磁場翻轉示例的計算任務。有證據表明，這些計算機在解決此類問題時確實優於經典計算機，但證據本身仍不夠確鑿。另外由於來自外部環境的干擾，D-Wave的量子位元很容易失去其量子活動特性。
即使存在種種負面因素，很多企業與研究人員仍然對其抱有濃厚的興趣。大型強子對撞機與CalTech公司物理學家Maria Spiropulu目前就在使用由洛克希德馬丁公司購置，部署於加利福尼亞大學的D-Wave裝置，用以識別大型強子對撞機資料中的希格斯玻色子。她和她的團隊甚至創建出D-Wave裝置模擬器，以供其他人藉此檢測自己的問題是否有必要在真正的D-Wave機器上進行運算。
Spiropulu表示，“就個人而言，我的興趣在於探索是否能夠在量子計算裝置上獲得無法從其它機器上實現的新型解決方案，或者藉此更快地摸索到可行的解決方向。我希望不要過多地討論，而是利用一些實際問題對其加以測試。”
洛斯阿莫斯國家實驗室研究員Dan O’Malley目前正在嘗試使用D-Wave裝置解決水文問題 ，例如預測地面之下是否存在沙子或者粘土。 初創企業QxBranch公司高階資料科學家Max Henderson則在使用D-Wave裝置重新模擬2016年美國大選 。 初創企業EigenMed公司首席科學官David Sahner希望D-Wave裝置能夠預測可能出現的健康問題 ，從而帶來更好的醫療保健成效 。
大眾汽車的研究人員們亦在努力優先汽車交通，並於最近開始利用D-Wave計算機解決某個化學問題 。順帶一提，在此之前，已經有人嘗試利用IBM的門模量子計算機處理同一問題。
上述問題都擁有著一些共通之處：其中包含很多雙選題，例如“是否患有糖尿病”、“地下存在粘土或者沙子”、“這個州會投票給民主黨人或者共和黨人”、“這條路上有車嗎”等等。這些屬於機會性因素，而兩個選項會分別被對映至某個或者某組量子位元當中，而後利用磁場由D-Wave計算機找到可能性最高的解決方案。
雖然某些經典的方法也可以解決類似的問題，但研究人員們希望找到新的方法以利用D-Wave計算機架構描述自己的問題，從而為即將到來的全面量子計算革命做好準備。
而且需要再次強調，這裡提到的都是基本的概念驗證思維。這些研究人員只想弄清楚D-Wave計算機中奇怪的物理特性，並探索基於概率的量子位元與優化問題解決能力是否真能發揮作用。一般來講，這些企業不會單純使用D-Wave的裝置，而是同時配合IBM以及其它廠商的量子計算系統。
洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家們也在進行同樣的工作：他們正著手測試高效能運算機。洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學、技術與工程副主任John Sarrao在採訪中表示，“這是我們整體高效能計算髮展戰略中佔比不高、但意義重大的組成部分。”
“這項技術似乎非常有趣，量子在其中好像確實發揮了作用，而且能夠供那些希望加以嘗試的人們體驗。對我們來說，這足以說明更為廣泛的整體先進計算戰略並非不可能，我們也有必要對這一部分進行深入探索。”
在大多數情況下，人們仍然會發現不少D-Wave無法幫助其解決的問題。這同樣非常重要。Sarrao指出，“瞭解哪些工作是可能的、而哪些不可能同樣意義重大。無論是發現了一種殺手級應用方式，還是意識到某些問題在量子計算系統上不可行，都屬於值得肯定的積極結果。”