D-Wave 量子计算机及其相关知识介绍

D-Wave 量子计算机及其相关知识介绍

【所有内容均是对官方文档的学习记录总结】

现在超级计算机虽然很强，许多复杂的问题依然无法通过传统的计算机解决。D-Wave可以解决当前传统机器学习的弊端。

目前，量子计算机有两种主要的模型：门模型（gate model）和量子退火（QA，quantum annealing）。在门模型中，主要的目标是控制和操纵量子态随时间的演化，这在大范围时很难做到，因为量子系统极其微妙。

D-Wave系统中所用的方法是量子退火（QA），QA控制量子态的自然演化过程：首先在非定域态（delocalized state）下初始化系统，然后遵循量子物理的方式让系统不断变化，最终系统的配置就是我们要找的答案。应用在D-Wave系统上的量子退火是单个量子算法，对于量子计算机来说这种可拓展的方式能够让我们用2000以上个qubits来构建量子处理单元（QPUs），远远超过门模型的量子计算。

D-Wave 系统必须保持在接近绝对零度，并与周围环境相隔离，才能以量子力学的方式运行。系统需要达到以下要求：

• 低温温度，使用闭环低温稀释制冷机系统（ closed-loop cryogenic dilution refrigerator
  system）实现。QPU在低于15mK的温度下运行。
• 屏蔽电磁干扰（electromagnetic interference），使用射频(RF)屏蔽罩和磁屏蔽子系统实现。

量子处理单元（QPU，quantum processing unit）

The D-Wave QPU (图1.2) 是一个由微小金属环组成的格子，每个金属环都是一个量子位或耦合器。在 9.2 kelvin 的温度下，这些回路成为超导体并表现出量子力学效应。

D-Wave 2000Q QPU 有2048个量子位（qubits）和6016个耦合器（couples），使用12.8万个约瑟夫森结（Josephson junctions）才能达到这个规模。

D-Wave QPU 结构 Chimera，显示了QPU的拓扑细节。

D-Wave 的软件环境

用户通过Web用户界面(UI, user interface)和能与SolverAPI(SAP)通信的客户端库(client libraries)与D-Wave量子计算机实现交互。SAPI组件负责用户交互、用户身份验证、工作调度。另一端，SAPI连接到后端服务器，后端服务器通过量子机指令将问题发送给QPU并从QPU返回结果，（可选）再对结果运行后处理算法（post-processing algorithms）。过程细节如上图（Figure 1.3）所示。

【注】：在D-Wave系统中，求解器(solver)只是运行问题(run problem)的资源，一些solvers连接到QPU，其他solvers利用CPU和GPU资源。

D-Wave客户端使跨各种平台编写应用程序变得更容易，它们使用REST/HTTPS协议与SAPI Web服务组件进行通信，并允许用户：

• 查询可用求解器和求解器属性
• 提交问题
• 取消先前提交的问题
• 检索问题的状态
• 若成功则获取结果
• 若失败则获取错误

D-Wave客户端使用传统的请求/响应范例，其中应用程序代码在客户端系统上运行，客户端命令被转换为REST/HTTP调用，然后传输到服务器。

D-Wave的开源软件工具组件**Ocean**使量子计算机的应用程序开发更加快速和高效。在Github上提供了这些工具。Ocean SDK网址https://github.com/dwavesystems，其关联文档的网址 https://docs.ocean.dwavesys.com.

Leap 量子应用环境

Leap 是D-Wave Systems Inc 的一个实时量子应用环境。Leap免费对所有人开放，提供对系统的云访问，可以实现量子计算。通过Leap可以了解D-Wave量子计算机能够解决的问题类型，运行交互demos和向量子计算机提交问题的代码例子。Leap的网址：https://cloud.dwavesys.com/leap