关注量子计算的朋友，一定注意到最近东京大学与东芝公司在量子计算方面的新闻发布。前者说的是，东京大学为实现终极光量子计算机的心脏迈进了一步，后者说的是，东芝公司开发出了世界上最快、解决最大规模组合优化问题的“数字煺火”算法——“模拟分歧算法”。
这些发明究竟意义何在呢？要回答这个疑问需要对量子计算有一定的理解。
通过许多科普读物，一般读者也知道量子计算是一件了不起的技术。量子计算机的运算速度会远超现有的超级计算机，可用于高速数据库检索、开发功能性材料及药物等各领域。笔者曾在《客观日本》撰文《谁抓住了薛定谔的猫？——日本对量子计算的贡献》，简单介绍了量子计算的原理与处理器以及算法。
量子计算的原理是基于量子力学，即利用量子叠加抑或量子纠缠的原理来计算概率，而非传统计算机的精确计算。所以，量子计算最擅长的是“在海量数据里瞬间寻找最佳组合，更适合于开发新药，人工智能，天气预报等等”。
从物理上讲，量子计算机有原子、离子、超导电路等类型的量子计算机，也有光量子计算方式的量子计算机。与前者相比，后者运算规模巨大，可在室温下、空气中运行，能克服量子噪声极限，适用于光通讯。而且，光量子计算机不需要巨大的冷却设施和真空设施，更便于实际应用。
然而，光学量子计算主要以光子的偏振自由度、角动量等为量子比特，光学的逻辑门操作主要通过偏振片实现。光子是飞行比特，存储光子比较困难。这些条件限制了光量子计算机的开发，很难实现多个量子纠缠。光学目前可以做到10个纠缠光子，进一步往上提高非常困难，成功的几率非常小。
东京大学发明的光量子计算方法，是通过在光路上连成一列具有时间先后的光脉冲，用最小规模光电路结构有效进行大规模运算操作。据东京大学古泽明团队在2017年9月发表在《物理评论快报》上的报告称，他们的方法理论上可处理100万个以上量子比特的大规模运算。这一方法的重点在于：利用环路结构的光电路，无限反复使用一个运算基本单位，即“量子隐形传态”电路，进行大规模量子计算。由于光电路规模可小至极限以及计算效率的提高，该系统避免了利用量子纠缠状态计算方法的缺陷。
2019年5月18日，东大新闻发布称，已开发成功相当于上述方法的心脏部分，即可切换功能的量子电路的基本结构。由此，实现了用最小限度的电路也可自由地合成各种量子纠缠的光脉冲，从而实现高效且通用的量子纠缠操作。这可以说是“终极大规模光量子计算机”方式的计算原理的本质的动作（如下图所示）。
可见，这一发明是左右光量子计算机发展的核心技术。
光有物理硬件上的突破还是不够的，必须有软件的配合。而东芝公司的“模拟分歧算法”，使用了古典力学中的分岐现象、断热过程、和埃格德过程这三种现象，并快速找出准确答案。这种技术有很高的并行性能。不仅可以短时间内获得现有技术上困难的复杂、大规模组合优化问题的高精度的近似解，而且可以利用现有计算机的低成本大规模计算功能，从而有可能一举改变目前的优化过程。
其实，这种算法是一种迫不得已的权宜之计。之所以开发这种算法，还在于量子计算机目前的处境所限。
我们知道，量子计算机主要有三种形式，硬件上实现的手段分别是：超导、半导体、离子阱。超导电路的量子计算机，目前很难处理大规模复杂的问题。另一方面，半导体数字计算机容易处理更大规模的问题，但使用的传统算法却难以实现并行化，原则上很难通过并行计算实现高速化。
所以，利用现有成熟的技术来实现同样效能的想法就再自然不过了。事实上，富士通与日立就是基于这样的思路设计出“基于数码退火的量子计算机”。
东大与东芝分别从硬件与软件方面发力，进取量子计算，不啻于该领域的福音。
供稿 戴维
编辑修改 客观日本编辑部
