D-Wave，是全球第一家成功實現(xiàn)商業(yè)化的量子計算公司，總部在加拿大。從專注于量子計算機的設(shè)計、制造和擴展，再到整機的生產(chǎn)制造，D-Wave以128量子比特的量子退火計算機便拿下了首個量子計算機商業(yè)訂單。

D-Wave的源起

在加拿大，大學(xué)摔跤校隊選手可以為學(xué)校效力5年，但根據(jù)他們的學(xué)制，大學(xué)總共就只有4年。這個有點奇怪的規(guī)定讓當(dāng)時就讀于加拿大麥克馬斯特大學(xué)（McMaster University）工程物理專業(yè)的喬迪·羅斯（Geordie Rose）既不解又欣喜，他是加拿大全國摔跤冠軍兩度獲得者，是麥克馬斯特大學(xué)體育名人堂成員。這條規(guī)定意味著他可以為校隊多效力一年。

于是，他決定延畢一年，并拿出這一年時間，遠離主修科目，只去聽他認為有趣的課程。他選擇的第一門課是聽起來就很高級的高等物理學(xué)，那時的他還沒有想到，正是這誤打誤撞的一年，開啟了他對量子計算機長達20年的探索，也造就了全球第一家成功實現(xiàn)商業(yè)化的量子計算公司，D-Wave。

1999年，拿到不列顛哥倫比亞大學(xué)理論物理學(xué)博士學(xué)位的喬迪·羅斯與他的博士導(dǎo)師和同事共同創(chuàng)建了D-Wave，他本人擔(dān)任CTO，公司專注于研發(fā)和制造可商用的量子計算機。之所以命名為D-Wave是因為他們最初嘗試通過高溫超導(dǎo)體“D波超導(dǎo)體（D-wave Superconductor）”材料制備量子比特，即使他們的這一嘗試并未取得成功，并在后來選擇了與之截然不同的量子退火路線。

公司在成立的頭5年基本處于隱身狀態(tài)，專注于研究量子計算如何實現(xiàn)，并建立相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)壁壘。但與學(xué)術(shù)研究項目不同，公司關(guān)注的重點是量子計算機的設(shè)計、制造和擴展，也是這五年的閉關(guān)修煉讓喬迪·羅斯和團隊意識到，可商用的量子計算機的最大難點，在于硬件的制造和組裝。

于是從2004年起，公司開始著手于整機的生產(chǎn)制造，研發(fā)出了屬于自己的制造設(shè)施，敲定了用于生產(chǎn)量子處理單元（QPU）的超導(dǎo)電子代工廠，組建了一支科學(xué)家和工程師團隊，在內(nèi)部實驗室中設(shè)計、制造和測試處理器和量子計算系統(tǒng)。

長期積累，一朝薄發(fā)

經(jīng)歷十輪風(fēng)險投資，籌集了總計3000萬美元資金，沉淀8年之久，D-Wave終于在2007年推出首臺量子計算設(shè)備Orion，這是一臺16位量子比特的量子退火機，它的核心是一種金屬鈮制造的芯片，這種金屬在足夠冷的情況下會變成一種超導(dǎo)體，芯片在液氦浴中冷卻到接近-273 ℃時，鈮超導(dǎo)體中的電子會形成稱為庫珀對的粒子，它們可以占據(jù)相同的量子狀態(tài)，從而使Orion能夠計算量子算法。

Orion的橫空出世讓很多人相信，量子計算所帶來的算力革命將比他們想象的更早發(fā)生，也再一次堅定了D-Wave要首當(dāng)其沖將量子計算推向商業(yè)世界的雄心壯志。

2010年，依賴同樣的量子退火技術(shù)，D-Wave發(fā)布了第一個量子計算機商用系統(tǒng)D-Wave One，它采用了128量子比特，四倍于之前的Orion原型機，執(zhí)行量子退火算法時的理論運算速度大大超過了經(jīng)典的超級電子計算機。隨之而來的是首個量子計算機商業(yè)訂單。

2011年，美國航天航空制造商洛克希德·馬丁公司決定購買128量子比特系統(tǒng)D-Wave One，用來尋找飛行控制系統(tǒng)的程序瑕疵，他們發(fā)現(xiàn)，同樣的問題，使用公司內(nèi)部的系統(tǒng)需要耗費幾個月時間，而D-Wave量子退火計算機只需幾個星期就能解決。幾個月后，D-Wave也憑借這一量子計算領(lǐng)域破天荒的商業(yè)成就，成功鎖定了由亞馬遜創(chuàng)始人貝佐斯領(lǐng)投的3000萬美元資金。

爭議不斷，堅持前行

然而，伴隨盛名而來的還有爭議。爭議的核心在于D-Wave量子退火機的通用性。不同于通用型量子計算機，量子退火只能用于解決部分組合優(yōu)化問題。退火的概念源于金屬加工領(lǐng)域，是指給金屬升溫，使其溫度高于再結(jié)晶溫度并維持一段時間，再將其緩慢冷卻。

組合優(yōu)化問題就可以通過這種退火的算法進行解答，在計算機模擬中，當(dāng)緩慢地調(diào)控量子的微觀體系時，量子狀態(tài)也會隨之發(fā)生細微的變化，最后趨于能量最低的基態(tài)，即組合優(yōu)化問題的最優(yōu)解。一些科學(xué)家認為，D-Wave所證實擁有優(yōu)勢的案例均是這類組合優(yōu)化問題，這并不能證明當(dāng)它在面對其他類計算難題時也能有同樣的優(yōu)勢。

另一方面，D-Wave One在環(huán)境方面的苛刻要求和較高的運行成本也飽受詬?。?/strong>機器必須由液氦全程保護，溫度接近絕對零度，這主要是由于其使用的超導(dǎo)材料在運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生超高熱量，這也使得其運行費用高昂，大大限制了它適用的場景。這一缺陷使得D-Wave團隊受到了美國斯坦福大學(xué)教授山本（Y. Yamamoto）團隊的挑戰(zhàn)。

山本課題組采用相干伊辛機（CIM）方案，這一方案以光學(xué)器件替代超導(dǎo)材料，不僅無需在苛刻溫度下運行，還可以大大提升可控的量子位數(shù)目。2019年，山本課題組在《科學(xué)》子刊《科學(xué)進展》雜志報道了他們使用2000個量子自旋比特的相干伊辛機與D-Wave當(dāng)時的2000個自旋的量子退火機進行比較，指出前者性能在某些指標(biāo)上更優(yōu)秀。

但無論如何，組合優(yōu)化類問題已能映射求解金融、醫(yī)藥、交通等多個重要商業(yè)領(lǐng)域的許多優(yōu)化組合問題，D-Wave在這類計算問題上相對于經(jīng)典計算機的優(yōu)勢已經(jīng)成為商業(yè)界的共識。D-Wave也表明了承諾：不管外界怎么評價，它們都計劃使它們的設(shè)備的量子比特數(shù)目每兩年增加2倍。

持續(xù)改進，構(gòu)建生態(tài)

如承諾所言，D-Wave在2013至2017年間相繼推出D-Wave 2、D-Wave 2X和D-Wave 2000Q三代量子退火機，算力以每兩年2倍的速度逐步提升至2000量子比特，并相繼吸引到谷歌、NASA、Temporal Defense等重量級客戶。

其中，谷歌和NASA聯(lián)合購買了第二代量子退火機，并安裝在由其和大學(xué)空間研究協(xié)會（USRA）合作建立的人工智能實驗室，應(yīng)用于廣泛的復(fù)雜問題，如機器學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)搜索、語音識別、規(guī)劃和調(diào)度、搜索系外行星，以及支持任務(wù)控制中心的操作；2015年12月，谷歌和NASA在發(fā)布會上匯報了測試結(jié)果：在解決某些特定問題時，D-Wave量子計算機的運行速度比經(jīng)典計算機快1億倍。

2018年10月，為更好與經(jīng)典計算機的操作系統(tǒng)銜接，D-Wave Systems 推出了一個基于云端的實時量子計算服務(wù)器 Leap，通過混合求解器，讓程序員可以用Python或Jupite在QPU上編寫代碼，并通過API接口接到QPU。經(jīng)過一年多的試用和反饋，2020年2月，D-Wave構(gòu)建了第二代量子計算云服務(wù)Leap 2，除了實時訪問D-Wave量子系統(tǒng)外，還擴展了量子應(yīng)用環(huán)境（QAE），提供了驅(qū)動關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)并將其投入生產(chǎn)所需的新工具和資源。

通過量子云計算服務(wù)的提供，D-Wave不僅以最直接的方式讓大眾感受到了量子計算的魅力，更為其自身整機產(chǎn)品日后的商業(yè)推廣方向提供了寬闊的思路，Leap平臺集眾人之力提出了量子計算在分子化學(xué)、工業(yè)、交通、航空航天、廣告?zhèn)髅?、醫(yī)療大健康等各行各業(yè)的應(yīng)用可能。

2020年9月，D-Wave將云服務(wù)與量子處理器深度整合，新一代量子計算平臺Advantage全面上市，該平臺集成了新的硬件、軟件和工具；芯片方面采用公司2019年2月發(fā)布的Pegasus，它由5000個低噪聲量子比特組成，并具有卓越的連通性，量子比特連接可達到15位，公司聲稱Pegasus是迄今為止最復(fù)雜的超導(dǎo)芯片；軟件方面，Advantage搭載了全新的混合求解器，離散二次模型（DQM）求解器，使開發(fā)人員和企業(yè)能夠?qū)⒒旌狭孔佑嬎愕膬?yōu)勢應(yīng)用于新的問題類別。

盡管直到今天，業(yè)界對于量子退火機是否屬于真正的量子計算機還存爭議，但是從D-Wave可以高速解決部分組合優(yōu)化問題上看，它已經(jīng)具有較高商業(yè)價值。只要使用D-Wave量子退火機能帶來足夠高的收益，自然會有更多的客戶愿意嘗試。

文：Chelsea
編輯：王珩?

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