D-Wave——一种特殊的计算机，这个名字已经让计算机科学家和物理学家谈论了很多年了。加拿大同名科技公司正在宣传这台机器是量子计算机。然而，这台机器是否真的使用了量子效应，是该领域专家之间有争议的话题。如果成功了，那么D-Wave将成为世界上第一台商用量子计算机。
该公司将其系统卖给了知名客户，进一步激起了科学界、博客作者和记者的兴趣。例如，第一台机器于2011年卖给了美国武器制造商洛克希德·马丁公司，该公司将其提供给位于洛杉矶的南加州大学进行测试。谷歌在去年购买了第二台机器。D-Wave可以通过搜索和找到系统中最低能量的状态来解决某些被称为优化问题的数学问题。这就是为什么这家公司对这项技术感兴趣。
模拟设备，不是量子计算机
但是D-Wave是否真的使用了量子效应的问题并不是这台机器唯一有争议的方面。科学家和博客作者也表示怀疑，这台机器是否能被准确地描述为一台计算机。关于它的计算速度是否比传统计算机快，也有不同的意见。为了找到这些问题的答案，苏黎世联邦理工学院理论物理研究所教授Matthias Troyer与南加州大学洛杉矶分校的同事们合作，测试了位于那里的系统。
在他们的研究中，该研究现已发表在杂志上自然物理，这个瑞士-美国研究小组得出了一个不明确的结论。一方面，科学家们证实D-Wave确实使用了量子效应。然而，在其他领域，研究人员更加挑剔:“D-Wave是一个模拟设备，一个可以用来解决优化问题的原型。更准确的说法是，它是一个可编程的量子模拟实验，”特罗耶教授说，他是该领域的国际公认专家。“D-Wave当然不是通用的量子计算机。”
量子效应，但只是暂时的
研究人员编写了数千个不同复杂性的计算问题，并在三个系统上求解了1000次:一次是在D-Wave上，两次是在传统计算机上运行的优化问题的模拟程序上。模拟程序在两种模式下运行，其中一种考虑了量子效应，另一种没有。对于每项任务，科学家们都记录了哪个系统提供正确解决方案的频率。结果表明，D-Wave的行为方式与考虑了量子效应的模拟相同，但与没有考虑量子效应的模拟不同。
科学家们对这一结果感到惊讶，因为D-Wave的量子效应极其短暂，仅持续十亿分之一秒。物理学家称之为相干时间。因为解决一个优化问题通常需要500倍的时间，大多数专家认为D-Wave的量子效应根本不起任何作用。然而，正如研究人员的结果所显示的那样，它们确实存在。特罗耶解释说:“看来量子效应并不一定要一直一致才有意义。”
并不比传统计算机快
当人们考虑到量子计算机的研究主要是因为计算速度大大加快的前景时，那么研究人员得出的另一个结论尤其重要，即D-Wave并不比传统计算机更快。
D-Wave的速度一直是该领域专家激烈争论的话题，尤其是去年5月阿默斯特学院(Amherst College)一位计算机科学家发表的一篇文章引起轩然大波之后。根据该出版物，根据计算问题的不同，D-Wave比传统计算机快几千倍。研究人员检查了一个D-Wave版本，该版本几乎与当前版本相对应，存在了一年，计算能力为512个量子比特(qubits)。相比之下，苏黎世联邦理工学院的研究人员进行的这项研究是基于108个量子比特的前身版本。
“我们不仅证明了传统计算机比108位版本的D-Wave更快，”Troyer回应道。“我们还使用传统计算机来解决可以由新的512量子比特版本或假设性能更高的机器解决的相同问题。”当将这些发现与来自阿默斯特学院的研究人员的发现进行比较时，很明显，在进行测试时，D-Wave始终比传统计算机慢。根据Troyer的说法，Amherst研究的问题在于它比较了D-Wave的快速算法和传统计算机的较慢算法。“我们为传统计算机开发了优化算法。这使得我们甚至可以匹配目前512量子比特版本的D-Wave。”Troyer解释道。“目前没有人知道像D-Wave这样拥有更多量子比特的未来量子系统是否会比传统系统有任何优势。这是一个重要的问题，我们目前正在使用512量子比特机器上的实验来寻找答案。”
[方框:]D-Wave量子退火
由金属或玻璃制成的不完美晶体结构可以通过加热材料直到发光，然后在受控环境中冷却来改善。在高温材料中，原子具有一定的运动自由度，可以重新排列成更精细的晶格。这种工艺技术有上千年的历史，叫做退火。在过去的30年里，计算机科学中也使用了一种类似的方法作为优化过程，也称为退火。
使用这种方法可以回答的一个典型问题是寻找景观的最低点。为了更好地理解这一点，可以想象一个思想实验，其中一个位于景观中的球体受到取决于温度的震动。在高温下，球体可以在整个景观中跳跃。温度越低，球体越难翻越山脉。如果一个实验重复几次，从高温开始慢慢冷却，在实验结束时，球体通常会在景观的最低点被发现。
当D-Wave系统解决一个优化问题时，它使用了类似的程序。此外，量子物理学和隧道效应也发挥了作用:球体(保留上面的例子)也处于一个位置，可以在景观中的山脉下方形成隧道。然而，在D-Wave中，并不是球体在移动。相反，单个超导电路充当量子模拟或人造原子。为此，必须将系统冷却到几乎绝对零度的温度。这些电路模拟原子的自旋。有自旋“上”和自旋“下”，还有自旋的叠加(因为量子物理学起了作用)，即“既上又下”的状态。在D-Wave电路中，自旋是通过电流流动的方向来模拟的。物理学家称D-Wave所采用的优化过程为“量子退火”。
了下:快速原型
