D-Wave：全球首台商用量子计算机缔造者
摘要：量子前哨将针对全球范围内的量子信息科技，尤其是量子计算产业化方面的国家政策、技术脉络、活跃企业以及知名科学家等内容，进行系统性的介绍，以飨读者。这是此系列文章的第六篇。
D-Wave，是全球第一家成功实现商业化的量子计算公司，总部在加拿大。从专注于量子计算机的设计、制造和扩展，再到整机的生产制造，D-Wave以128量子比特的量子退火计算机便拿下了首个量子计算机商业订单。
D-Wave的源起
在加拿大，大学摔跤校队选手可以为学校效力5年，但根据他们的学制，大学总共就只有4年。这个有点奇怪的规定让当时就读于加拿大麦克马斯特大学（McMaster University）工程物理专业的乔迪·罗斯（Geordie Rose）既不解又欣喜，他是加拿大全国摔跤冠军两度获得者，是麦克马斯特大学体育名人堂成员。这条规定意味着他可以为校队多效力一年。
于是，他决定延毕一年，并拿出这一年时间，远离主修科目，只去听他认为有趣的课程。他选择的第一门课是听起来就很高级的高等物理学，那时的他还没有想到，正是这误打误撞的一年，开启了他对量子计算机长达20年的探索，也造就了全球第一家成功实现商业化的量子计算公司，D-Wave。
D-Wave的首席技术官乔迪·罗斯（Geordie Rose）
图片来源：D-Wave官网
1999年，拿到不列颠哥伦比亚大学理论物理学博士学位的乔迪·罗斯与他的博士导师和同事共同创建了D-Wave，他本人担任CTO，公司专注于研发和制造可商用的量子计算机。之所以命名为D-Wave是因为他们最初尝试通过高温超导体“D波超导体（D-wave Superconductor）”材料制备量子比特，即使他们的这一尝试并未取得成功，并在后来选择了与之截然不同的量子退火路线。
公司在成立的头5年基本处于隐身状态，专注于研究量子计算如何实现，并建立相关知识产权壁垒。但与学术研究项目不同，公司关注的重点是量子计算机的设计、制造和扩展，也是这五年的闭关修炼让乔迪·罗斯和团队意识到，可商用的量子计算机的最大难点，在于硬件的制造和组装。
于是从2004年起，公司开始着手于整机的生产制造，研发出了属于自己的制造设施，敲定了用于生产量子处理单元（QPU）的超导电子代工厂，组建了一支科学家和工程师团队，在内部实验室中设计、制造和测试处理器和量子计算系统。
D-Wave公司
图片来源：D-Wave官网
长期积累，一朝薄发
经历十轮风险投资，筹集了总计3000万美元资金，沉淀8年之久，D-Wave终于在2007年推出首台量子计算设备Orion，这是一台16位量子比特的量子退火机，它的核心是一种金属铌制造的芯片，这种金属在足够冷的情况下会变成一种超导体，芯片在液氦浴中冷却到接近-273 ℃时，铌超导体中的电子会形成称为库珀对的粒子，它们可以占据相同的量子状态，从而使Orion能够计算量子算法。
Orion的横空出世让很多人相信，量子计算所带来的算力革命将比他们想象的更早发生，也再一次坚定了D-Wave要首当其冲将量子计算推向商业世界的雄心壮志。
2010年，依赖同样的量子退火技术，D-Wave发布了第一个量子计算机商用系统D-Wave One，它采用了128量子比特，四倍于之前的Orion原型机，执行量子退火算法时的理论运算速度大大超过了经典的超级电子计算机。随之而来的是首个量子计算机商业订单。
2011年，美国航天航空制造商洛克希德·马丁公司决定购买128量子比特系统D-Wave One，用来寻找飞行控制系统的程序瑕疵，他们发现，同样的问题，使用公司内部的系统需要耗费几个月时间，而D-Wave量子退火计算机只需几个星期就能解决。几个月后，D-Wave也凭借这一量子计算领域破天荒的商业成就，成功锁定了由亚马逊创始人贝佐斯领投的3000万美元资金。
在2010年发布的D-Wave One量子退火计算机
图片来源：engadget
争议不断，坚持前行
然而，伴随盛名而来的还有争议。争议的核心在于D-Wave量子退火机的通用性。不同于通用型量子计算机，量子退火只能用于解决部分组合优化问题。退火的概念源于金属加工领域，是指给金属升温，使其温度高于再结晶温度并维持一段时间，再将其缓慢冷却。
组合优化问题就可以通过这种退火的算法进行解答，在计算机模拟中，当缓慢地调控量子的微观体系时，量子状态也会随之发生细微的变化，最后趋于能量最低的基态，即组合优化问题的最优解。一些科学家认为，D-Wave所证实拥有优势的案例均是这类组合优化问题，这并不能证明当它在面对其他类计算难题时也能有同样的优势。
另一方面，D-Wave One在环境方面的苛刻要求和较高的运行成本也饱受诟病：机器必须由液氦全程保护，温度接近绝对零度，这主要是由于其使用的超导材料在运转时会产生超高热量，这也使得其运行费用高昂，大大限制了它适用的场景。这一缺陷使得D-Wave团队受到了美国斯坦福大学教授山本（Y. Yamamoto）团队的挑战。
山本课题组采用相干伊辛机（CIM）方案，这一方案以光学器件替代超导材料，不仅无需在苛刻温度下运行，还可以大大提升可控的量子位数目。2019年，山本课题组在《科学》子刊《科学进展》杂志报道了他们使用2000个量子自旋比特的相干伊辛机与D-Wave当时的2000个自旋的量子退火机进行比较，指出前者性能在某些指标上更优秀。
但无论如何，组合优化类问题已能映射求解金融、医药、交通等多个重要商业领域的许多优化组合问题，D-Wave在这类计算问题上相对于经典计算机的优势已经成为商业界的共识。D-Wave也表明了承诺：不管外界怎么评价，它们都计划使它们的设备的量子比特数目每两年增加2倍。
尽管争议不断，D-Wave仍吸引到了洛克希德·马丁公司等客户
图片来源：D-Wave官网
持续改进，构建生态
如承诺所言，D-Wave在2013至2017年间相继推出D-Wave 2、D-Wave 2X和D-Wave 2000Q三代量子退火机，算力以每两年2倍的速度逐步提升至2000量子比特，并相继吸引到谷歌、NASA、Temporal Defense等重量级客户。
其中，谷歌和NASA联合购买了第二代量子退火机，并安装在由其和大学空间研究协会（USRA）合作建立的人工智能实验室，应用于广泛的复杂问题，如机器学习、网络搜索、语音识别、规划和调度、搜索系外行星，以及支持任务控制中心的操作；2015年12月，谷歌和NASA在发布会上汇报了测试结果：在解决某些特定问题时，D-Wave量子计算机的运行速度比经典计算机快1亿倍。
2018年10月，为更好与经典计算机的操作系统衔接，D-Wave Systems 推出了一个基于云端的实时量子计算服务器 Leap，通过混合求解器，让程序员可以用Python或Jupite在QPU上编写代码，并通过API接口接到QPU。经过一年多的试用和反馈，2020年2月，D-Wave构建了第二代量子计算云服务Leap 2，除了实时访问D-Wave量子系统外，还扩展了量子应用环境（QAE），提供了驱动关键业务应用开发并将其投入生产所需的新工具和资源。
通过量子云计算服务的提供，D-Wave不仅以最直接的方式让大众感受到了量子计算的魅力，更为其自身整机产品日后的商业推广方向提供了宽阔的思路，Leap平台集众人之力提出了量子计算在分子化学、工业、交通、航空航天、广告传媒、医疗大健康等各行各业的应用可能。
2020年9月，D-Wave将云服务与量子处理器深度整合，新一代量子计算平台Advantage全面上市，该平台集成了新的硬件、软件和工具；芯片方面采用公司2019年2月发布的Pegasus，它由5000个低噪声量子比特组成，并具有卓越的连通性，量子比特连接可达到15位，公司声称Pegasus是迄今为止最复杂的超导芯片；软件方面，Advantage搭载了全新的混合求解器，离散二次模型（DQM）求解器，使开发人员和企业能够将混合量子计算的优势应用于新的问题类别。
图片来源：D-Wave官网
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