摘要：經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)發(fā)展前進(jìn)的步伐正在放緩，與此同時(shí)，全球?qū)π滦螒B(tài)計(jì)算機(jī)的研發(fā)正在加速。NTT目前已經(jīng)研制出了一種叫“相干伊辛機(jī)”的新形態(tài)計(jì)算設(shè)備，可以在激光振蕩器相變現(xiàn)象的基礎(chǔ)上進(jìn)行高速計(jì)算。

2017年，NTT基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)杰出研究員——武居弘樹（Hiroki Takesue）博士獲得了仁科紀(jì)念獎(jiǎng)（Nishina Memorial Prize），該獎(jiǎng)項(xiàng)授予在物理學(xué)及其應(yīng)用方面有杰出成就的研究人員，而他的研究成果以及思想，可以為現(xiàn)代社會(huì)的各種問題帶來解決方案。

CIM針對(duì)的問題和意義

Q：武居博士，祝賀您獲得仁科紀(jì)念獎(jiǎng)，您能告訴我們一些關(guān)于獲得這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)的研究情況嗎？

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武居弘樹：非常感謝您。獲得這一獎(jiǎng)項(xiàng)的研究主題是以“實(shí)現(xiàn)大規(guī)模相干伊辛機(jī)（CIM）”為中心。這是一種通過物理實(shí)驗(yàn)解決伊辛模型中最小能量狀態(tài)問題的計(jì)算機(jī)，伊辛模型統(tǒng)計(jì)物理中，用來描述一組自旋粒子之間相互作用的理論模型。我們目前實(shí)現(xiàn)的CIM，它可以使用特殊的激光代替自旋粒子來高速計(jì)算這個(gè)伊辛模型（如圖1）。

自旋是一個(gè)描述基本粒子固有特性的物理量，我們可以把它看作是一個(gè)微小的磁鐵，可以采取兩個(gè)值中的任何一個(gè)：向上或向下。CIM通過激光模擬自旋，將激光脈沖的相位0等價(jià) 的賦值為自旋“向上”，將相位π賦予自旋“向下”。然而，普通的激光在0到2π之間采取任何相位值，所以用激光來表示自旋需要精確的相位控制，這不是一件容易的事。因此，我們決定使用一種叫做光學(xué)參量振蕩器（OPO）的特殊激光。當(dāng)振蕩時(shí)，OPO可以只具有0或π的相位，從而能夠穩(wěn)定表示自旋。使用這種OPO在一個(gè)長度為1公里的光纖環(huán)形腔內(nèi)產(chǎn)生2000個(gè)光脈沖，并根據(jù)測量結(jié)果對(duì)這些脈沖進(jìn)行反饋，我們就獲得了一個(gè)能計(jì)算的機(jī)器，可以使用2000個(gè)具有復(fù)雜的相互作用的人工自旋，瞬間解決一個(gè)組合優(yōu)化問題。

現(xiàn)代社會(huì)追求萬物互聯(lián)，這就提供了大量組合優(yōu)化問題的應(yīng)用場景。也就是要大量不同個(gè)體的不同參數(shù)和信息所組合成的海量選項(xiàng)中找到一個(gè)最優(yōu)或接近最優(yōu)的組合。典型的例子包括送貨卡車的最佳路線和無線通信的最佳信道分配。這類問題都可以歸納成一個(gè)典型數(shù)學(xué)問題——旅行商問題。旅行商問題的目標(biāo)是找到一條路線，使推銷員在尋求訪問若干城市中的每一個(gè)城市之后返回到起點(diǎn)時(shí)的旅行距離最小。如果只有5個(gè)城市需要訪問，將有12個(gè)組合，但對(duì)于10個(gè)城市，可能的總路線數(shù)將增長到一個(gè)巨大的數(shù)字，約18萬。如果有60個(gè)不同城市，組合出來的不同路線數(shù)量將比可觀測宇宙的總原子數(shù)還多（如圖2）。

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也就是說，隨著選項(xiàng)數(shù)量的增加，組合的數(shù)量將呈指數(shù)級(jí)增長。如果我們試圖用暴力計(jì)算來解決問題，用最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)也需要極長的時(shí)間。但是我們知道，許多這樣的組合優(yōu)化問題可以轉(zhuǎn)化為尋找伊辛模型中最小能量狀態(tài)的問題，所以我們可以用一個(gè)實(shí)際的物理系統(tǒng) "實(shí)驗(yàn)性地解決 "伊辛模型問題，也就可以將使我們能夠高速解決各種組合優(yōu)化問題。

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我們已經(jīng)證明，使用CIM[1]可以對(duì)一個(gè)由2000個(gè)自旋組成的伊辛模型問題搜索高速解。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了學(xué)術(shù)界的好評(píng)，并在2016年的美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表[2]。但在2016年時(shí)，CIM的運(yùn)行仍然不穩(wěn)定，這意味著計(jì)算設(shè)備必須由研究人員不斷調(diào)整。但在2017年11月，我們成功實(shí)現(xiàn)CIM的長期穩(wěn)定運(yùn)行[3] ，并提供了量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)（QNN），使普通用戶能體驗(yàn)CIM計(jì)算。這項(xiàng)服務(wù)是與日本國家信息學(xué)研究所（NII）、東京大學(xué)和日本科學(xué)技術(shù)廳（JST）合作完成的（如圖3）。

Q：您還記得利用CIM 得出結(jié)果的那一刻嗎？

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武居弘樹：我記得很清楚。我們第一次生成大規(guī)模的OPO脈沖組時(shí)，起初只是想看看會(huì)產(chǎn)生哪些現(xiàn)象，但最終獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人驚訝，它竟然發(fā)揮作用了，我們沒有想到在那個(gè)時(shí)候工作就取得了大進(jìn)展。

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當(dāng)我們第一次獲得計(jì)算結(jié)果時(shí)，這些結(jié)果超出了我們當(dāng)時(shí)研究的光量子和光學(xué)等領(lǐng)域，我們不確定是否得到了最優(yōu)的解決方案。因此，我們花了幾個(gè)月的時(shí)間與計(jì)算機(jī)科學(xué)等其他領(lǐng)域的研究人員討論這些結(jié)果，當(dāng)我們能夠確認(rèn)這些結(jié)果的確代表了一種優(yōu)化組合結(jié)果時(shí)，我松了一口氣。雖然這項(xiàng)研究是國家項(xiàng)目的一部分，但我認(rèn)為自己應(yīng)該對(duì)結(jié)果負(fù)責(zé)。另一方面，我們意識(shí)到，我們接受的是一種跨學(xué)科研究的挑戰(zhàn)，比如建立一個(gè)評(píng)估指標(biāo)。

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Q：您認(rèn)為這項(xiàng)研究的意義在哪里？

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武居弘樹：在過去的20到30年里，信息技術(shù)（IT）在經(jīng)典計(jì)算機(jī)性能不斷增長的支撐下，取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，今天的計(jì)算機(jī)與30年前的計(jì)算機(jī)完全不同。但由于摩爾定律即將失效，經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展已經(jīng)達(dá)到頂峰。另一方面，IT 網(wǎng)絡(luò)（如我們每天使用的社交網(wǎng)絡(luò)）正變得越來越復(fù)雜，為了提高其效率，我們需要從各種參數(shù)和選項(xiàng)的組合中找到好的解決方案。而使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)來解決這些問題極其困難，因此，如果能找到另一種方法解決這些問題，就有可能突破摩爾定律的限制。

在“需求”和“種子”間架起一座橋梁

Q：您的研究似乎處于一條顛覆性的道路上。為此，您將如何對(duì)待這項(xiàng)研究及未來發(fā)展？

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武居弘樹：我們目前面臨兩個(gè)主要的研究問題。一個(gè)是闡述清楚CIM的本質(zhì)，CIM究竟是什么？就是說，我想闡述清楚一臺(tái)耦合了數(shù)千個(gè)激光脈沖就能解決復(fù)雜問題的機(jī)器的性質(zhì)，以及它的極限是什么。

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另一個(gè)問題是如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)學(xué)術(shù)價(jià)值與社會(huì)價(jià)值。作為一項(xiàng)重要的新技術(shù)，CIM還需要面對(duì)許多挑戰(zhàn)。從全球角度來看，這一領(lǐng)域的研究人員數(shù)量很少，盡管我們正在努力研究使這臺(tái)機(jī)器具備實(shí)用性，但我們必須認(rèn)識(shí)到，最終將是社會(huì)來決定這項(xiàng)研究是否真正具有價(jià)值。

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我們研究通常是"以種子技術(shù)為導(dǎo)向"。當(dāng)然，"需求"也很重要，但許多基礎(chǔ)研究都是在不知道它對(duì)社會(huì)有多大用處的情況下開始的，所以它確實(shí)是以種子為導(dǎo)向的努力?；A(chǔ)研究可能會(huì)有許多失敗的，但也有可能創(chuàng)造新事物。也許我們正在嘗試的東西長期不為人知，但它的突然出現(xiàn)，可能最終改變世界。因?yàn)槲易约涸趶氖隆胺N子”方面工作，我知道這兩者的重要性，所以我認(rèn)為自己是在“種子”和“需求”之間架起一座橋梁。

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別人問我為什么組合優(yōu)化問題如此重要，我覺得這些問題可能是解決困擾現(xiàn)代社會(huì)問題的關(guān)鍵。然而，這個(gè)原因更多的是事后才想到的。最初我的研究是由一些"有趣"的東西驅(qū)動(dòng)。進(jìn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)是我最喜歡的工作，我也覺得研究光是打開"世界之窗"的一種方式。

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對(duì)于我來說，這不僅僅是科學(xué)和物理領(lǐng)域的問題。事實(shí)上，通過光學(xué)研究獲得的知識(shí)，在某種程度上可以和完全不同領(lǐng)域的知識(shí)有關(guān)，我感覺到這些研究我更加了解人類和世界。

向環(huán)境學(xué)習(xí)并做出決策

Q：您能告訴我們是什么讓您走上了科研之路嗎？

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武居弘樹：在我大四的時(shí)候，我非常癡迷于光的波粒二象性的研究。這種癡迷源于我做的一個(gè)光子干涉實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)我非常興奮，對(duì)自己說："這就是光量子的本質(zhì)！”我感覺到可以用光子來生動(dòng)地描繪物理學(xué)的本質(zhì)，從此我就有了成為一名研究人員的強(qiáng)烈愿望。

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當(dāng)我初入大學(xué)時(shí)，我對(duì)未來沒有任何設(shè)想，只是一個(gè)對(duì)俱樂部和課外活動(dòng)比學(xué)習(xí)更感興趣的學(xué)生。改變我的是與導(dǎo)師小林哲郎（Tetsuro Kobayashi）教授和NTT校友北川正弘教授（Masahiro Kitagawa）的接觸，我被分配到他們一個(gè)使用激光的光學(xué)測量實(shí)驗(yàn)組里面。我完全沉浸于做激光實(shí)驗(yàn)中，也正是在那個(gè)時(shí)候，我決心成為一名研究人員。

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后來，我加入了NTT，但當(dāng)時(shí)碩士畢業(yè)生會(huì)先被統(tǒng)一分配到NTT分公司接受培訓(xùn)和能力評(píng)估，在完成培訓(xùn)后，有人告訴我，我將被分配到一個(gè)基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室，聽到這個(gè)消息我非常高興。然而，我的喜悅很短暫，因?yàn)槲冶环峙涞饺毡敬某强h東海的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，而且是一個(gè)涉及光纖測量之類的崗位，這與我的期相差甚遠(yuǎn)。起初我對(duì)這個(gè)工作感到不滿，但沒過多久，我就開始欣賞身邊研究人員。我很幸運(yùn)有優(yōu)秀的上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)，改變了自己的思維方式，我對(duì)自己說："我要努力追隨他們的腳步！”在那里的第三年，我的積極性變得很高。

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后來，我被調(diào)到筑波的另一個(gè)研究實(shí)驗(yàn)室，在那里我參與研發(fā)名為筑波WAN（廣域網(wǎng)）的波長復(fù)用網(wǎng)絡(luò)。這在當(dāng)時(shí)是一項(xiàng)劃時(shí)代的尖端工作，但鑒于我對(duì)基礎(chǔ)研究的強(qiáng)烈渴望，我一開始是抱著一種有點(diǎn)消極的態(tài)度想："我在這里做什么？”然而，在與NTT其他實(shí)驗(yàn)室的專家合作開展這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，我開始注意到他們都具有很高的專業(yè)水平。

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總之，這是光網(wǎng)絡(luò)研究人員和專家的共同努力，前者必須了解技術(shù)的各個(gè)方面，并詳細(xì)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，而后者則必須掌握整個(gè)項(xiàng)目，并制定規(guī)范制度，組織許多人共同推動(dòng)項(xiàng)目向前發(fā)展。這些人的專業(yè)完全不同，他們每自的工作能力都很強(qiáng)。與他們相比，我覺得自己的工作相當(dāng)平庸，于是下定決心以自己的方式從事基礎(chǔ)研究?；厥淄?，我認(rèn)為，如果我直接被分配到NTT基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室，從一開始就走上研究員的道路，我現(xiàn)在的學(xué)術(shù)風(fēng)格可能不會(huì)像現(xiàn)在這樣，這要?dú)w功于這些經(jīng)歷。

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Q：這段時(shí)期并不是一個(gè)彎路，而是培養(yǎng)了您現(xiàn)在的研究風(fēng)格和個(gè)性。根據(jù)您的這一經(jīng)歷，您想對(duì)現(xiàn)在的年輕研究人員說些什么？

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武居弘樹：我認(rèn)為，基礎(chǔ)研究是一個(gè)需要"超越常規(guī)結(jié)果"的領(lǐng)域。參觀NTT實(shí)驗(yàn)室的人喜歡看到我們在研究中發(fā)現(xiàn)的“新種子”?？吹剿麄儗?duì)我們?nèi)〉贸删偷姆磻?yīng)，我意識(shí)到這個(gè)領(lǐng)域的研究人員必須具有開拓精神，隨時(shí)準(zhǔn)備迎接不可預(yù)見的結(jié)果。

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基于我的經(jīng)歷，我想對(duì)年輕人說：即使你發(fā)現(xiàn)自己的處境不盡如人意，你也應(yīng)該能從這個(gè)環(huán)境和周圍的人身上學(xué)到一些東西。我希望你在這樣的情況下堅(jiān)持下去，花時(shí)間看看你的周圍。如果你完全沒有注意到任何積極的東西，你可能會(huì)想放棄，但NTT實(shí)驗(yàn)室從來都是可以學(xué)到很多東西的地方。

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同時(shí)，我希望年輕的研究人員有勇氣做出決定并采取行動(dòng)。在我進(jìn)入NTT工作的第七年，被調(diào)到NTT基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室，我終于實(shí)現(xiàn)了長期以來的愿望，但我也對(duì)這一改變感到有些恐懼。當(dāng)時(shí)，我覺得NTT基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的研究水準(zhǔn)非常高，而我在量子物理方面的知識(shí)只有碩士水平，我不知道自己能否適應(yīng)，我想盡管自己已經(jīng)過了30歲，但肯定會(huì)被當(dāng)作一個(gè)新生對(duì)待。對(duì)此，我心里充滿了焦慮。也許在改變生活時(shí)，這種恐懼是正常的，但值得慶幸的是，好奇心和接受新挑戰(zhàn)的愿望最終贏得了勝利。我現(xiàn)在覺得我可以在這個(gè)新的領(lǐng)域里自由地實(shí)現(xiàn)我的“心愿”。當(dāng)你心底渴望做出改變時(shí)，我認(rèn)為你只要對(duì)自己誠實(shí)，就會(huì)獲得更好的結(jié)果，而不是淪為恐懼的犧牲品。

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所以，我想請(qǐng)年輕研究人員勇敢迎接新領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，這可能是獲得成功的好機(jī)會(huì)。在一個(gè)有著悠久歷史和很多成果的領(lǐng)域里，研究人員可能會(huì)有一種“安全感”，但由于這些領(lǐng)域已經(jīng)有了很多取得巨大成就的先行者，這意味著未完成的工作將極為有限。相比之下，一個(gè)新的領(lǐng)域可以被認(rèn)為是一個(gè)"廣闊的海洋"，很少有研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了價(jià)值，它可能會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)，但也留給年輕研究者許多成功的機(jī)會(huì)。

受訪者簡介

高級(jí)特聘科學(xué)家（高級(jí)特聘研究員），NTT基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室-光學(xué)實(shí)驗(yàn)室-量子光學(xué)狀態(tài)控制研究組組長。

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他于1994年、1996年和2002年獲得大阪大學(xué)工程科學(xué)學(xué)士、碩士和博士學(xué)位。1996年，他加入NTT，從事光波頻率合成、使用波分復(fù)用的光接入網(wǎng)絡(luò)和量子光學(xué)的研究。目前，他正在從事利用量子光學(xué)技術(shù)進(jìn)行通信和計(jì)算的研究。他獲得了多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，包括2008年的ITU-T（國際電信聯(lián)盟-電信標(biāo)準(zhǔn)化部門）萬花筒會(huì)議第二屆最佳論文獎(jiǎng)，2010年的日本文部科學(xué)大臣科學(xué)技術(shù)表彰（青年科學(xué)家獎(jiǎng)），以及2017年的仁科紀(jì)念獎(jiǎng)。2004年至2005年在美國加州斯坦福大學(xué)做訪問學(xué)者，2014年在美國科羅拉多州國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所做客座研究員。他是大阪大學(xué)工程科學(xué)研究生院的客座教授，也是電氣和電子工程師學(xué)會(huì)和日本應(yīng)用物理學(xué)會(huì)的成員。

參考文獻(xiàn)

[1]H. Hiroki Takesue, T. Inagaki, K. Inaba, and T. Honjo, “Quantum Neural Network for Solving Complex Combinatorial Optimization Problems,” NTT Technical Review, Vol. 15, No. 7, 2017.

[2]T. Inagaki, Y. Haribara, K. Igarashi, T. Sonobe, S. Tamate, T. Honjo, A. Marandi, P. L. McMahon, T. Umeki, K. Enbutsu, O. Tadanaga, H. Takenouchi, K. Aihara, K. Kawarabayashi, K. Inoue, S. Utsunomiya, and H. Hiroki Takesue, “A Coherent Ising Machine for 2000-node Optimization Problems,” Science, Vol. 354, No. 6312, pp. 603–606, 2016.

[3]QNNcloud.

編譯：慕一

編輯：王珩

注：本文編譯自“NTT官網(wǎng)”，文章中的信息或所表述的觀點(diǎn)意見，均不代表量子前哨同意或支持。