开源｜开发量子计算软件：D-Wave开源开发工具Qbsolv

选自Wired

机器之心编译

参与：吴攀

量子计算是可以实现的，但难度也非常大，因此目前仅有几位开发者（通常接受过量子物理和高等数学训练）实际上能够真正操作世界上仅有的几台量子计算机。现在 D-Wave 这家加拿大公司想要通过开源软件之力让量子计算变得更加容易简单——这家公司从 2013 年开始就已经向谷歌和美国航天局（NASA）提供了测试用的量子计算机。

传统计算机将信息以「比特」的形式进行存储和计算，这些「比特」要么表示 0，要么就只能表示 1。但量子计算机却并非如此，借助量子粒子的一种被称为「叠加态」的奇怪状态（即粒子的自旋同时有两个方向），量子计算机的比特（被称为「量子比特（qubit）」可以同时处于 0 和 1 两种状态。D-Wave 这样的公司希望能够通过将这样的量子比特连接在一起而创造出能够在性能上远远超过当前计算机的新型计算设备。

IBM 在 2000 年就展示了一台可工作的量子计算机，并自此之后就一直在不断改进其技术。谷歌也在研究自己的量子计算机，该公司在 2013 年还与 NASA 一起对 D-Wave 的系统进行了测试。洛克希德·马丁公司和洛斯阿拉莫斯国家实验室也在使用 D-Wave 的机器。但是今天的量子计算机仍然并不适用于大多数真实世界任务。量子比特本身也还很脆弱，一不小心就会脱离叠加态。另外，目前我们还很难对量子计算机进行编程，因为这需要高度专业的知识。

「D-Wave 正在推动硬件的发展，」D-Wave International 总裁 Bo Ewald 说，「但我们需要更多聪明的人来思考其应用，还需要另一些人来思考其软件工具。」

这就是该公司推出的新软件 Qbsolv 的用武之地。

Qbsolv 是为帮助没有量子物理背景的开发者开发 D-Wave 量子计算机程序而设计的。D-Wave 的一些合作伙伴已经在使用这个工具了，但今天该公司宣布将其开源了！这意味着以后任何人都可以免费使用、分享和修改这个软件了。

Qbsolv 开源地址：https://github.com/dwavesystems/qbsolv

「在计算机科学领域，不是每一个人都认识到了量子计算机的潜在影响。」科罗拉多大学博尔德分校的数学家 Fred Glover 说，他一直在使用 Qbsolv。「Qbsolv 通过让研究者和实践者参与进来共同描绘量子计算开发的未来方向，从而提供了一种可以使这种影响为更多人所认知的工具。」

人人都有量子比特

Qbsolv 是未来的量子计算机程序员工具库的新成员——虽然目前这个库还很小，但它也在不断增长。去年，洛斯阿拉莫斯国家实验室的 Scott Pakin（他也是 Qbsolv 的最早用户之一）就曾发布了另一款免费工具 Qmasm（https://github.com/losalamos/qmasm），这也是一款帮助开发者无需忧心底层的硬件就能开发 D-Wave 计算机程序的工具。

Ewald 说，这些软件的目标是推动形成一个量子计算软件工具生态系统和培养一个解决量子计算问题的开发者社区。在最近几年，开源软件已经成为了构建社区的最佳方式，这能让独立开发者和大型企业都参与进来。

当然，要想实际地运行你用这些工具所开发出来的软件，你还需要能够使用上世界上仅有的非常少量的 D-Wave 机器。不过你也可以在你的传统计算机上下载 D-Wave 的模拟器来测试软件。当然，模拟和实际运行并不是一回事，但聊胜于无。

此外，IBM 还在去年推出了一个基于云的量子计算服务，让人们可以在该公司的量子计算机上运行自己的程序，体验地址：http://www.research.ibm.com/quantum

D-Wave 尚未推出类似的云服务——目前而言，Qbsolv 和 Qmasm 还只能让开发者为 D-Wave 机器开发应用而已。实际上，D-Wave 的机器不仅采用了一种和传统计算机决然不同的方法，而且和其它量子计算原型设备也有很大的差异。大部分计算机（从你的智能手机到 IBM 的量子计算机）都是为通用目的设计的，也就是说它们可以被编程用来执行各种不同的任务，但 D-Wave 的机器只是为单一用途设计的：解决优化问题（solving optimization problems）。这个问题的典型案例是旅行商问题（traveling salesman problem）：计算经过一些特定目标位置的最短路径。

早期的时候，有很多批评认为 D-Wave 的昂贵机器根本算不上是量子计算机，但现在似乎大多数研究者已经认同这些机器确实展现出了量子行为。「关于其中是否有量子效应以及量子效应是否发挥了有意义的计算作用，现在只有非常少的怀疑了。」南加州大学研究者 Daniel Lidar 在 2015 年这么说，那时候谷歌和 NASA 刚发布了一篇研究论文《What is the Computational Value of Finite Range Tunneling?》，详细阐释了他们使用 D-Wave 的研究成果。D-Wave 现在所面临的质疑是：D-Wave 的计算机真的能比传统计算机更快吗、该公司所使用的独特方法比 IBM 或其它研究者的方法更好吗？

Pakin 说他的团队相信 D-Wave 的潜力，尽管他们也承认：除了一些范围非常狭窄的案例，D-Wave 的系统可能尚未带来性能上的提升。他也解释说 D-Wave 的计算机并不必要为一个优化问题提供最有效的答案——甚至不必要是正确的。相反，其目标是给出一个可能很好也许完美的答案，并且做到非常快。这就将 D-Wave 计算机的应用范围压缩到了需要快速解决但不求完美的优化问题上，这其中包括许多人工智能应用。

但是，如果进展顺利，随着硬件和软件的继续提升，也许其它类型的计算问题也可以被转化成优化问题进行处理，Qbsolv 和 Qmasm 的目标就在于此。但要实现这一目标，他们所需的将不仅仅是开源软件，他们还将需要一整个开源社区。