量子計(jì)算大討論 九章量子計(jì)算優(yōu)越性遭北大院士質(zhì)疑

我國成功達(dá)到量子計(jì)算研究第一個里程碑量子計(jì)算優(yōu)越性(Quantum Computational Advantage)的新聞刷屏。

當(dāng)天，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，由潘建偉、陸朝陽領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了 76 個光子 100 個模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊 Science，題為Quantum computational advantage using photons(用光子進(jìn)行量子計(jì)算的優(yōu)越性)。

當(dāng)時這一消息受到國內(nèi)外各大媒體的報(bào)道，引發(fā)網(wǎng)友熱議。不過，北京大學(xué)教授涂傳詒曾先后兩次就「九章」發(fā)文表示質(zhì)疑，對此兩位「九章」作者潘建偉、陸朝陽做了回復(fù)。

中國量子計(jì)算原型機(jī)“九章”問世

“九章”是 76 個光子的量子計(jì)算原型機(jī)，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作構(gòu)建而成。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官方表示：

根據(jù)現(xiàn)有理論，這一量子計(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計(jì)算機(jī)快一百萬億倍(“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級計(jì)算機(jī)需要一億年)。等效地，其速度比 2019 年谷歌發(fā)布的 53 個超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī) “懸鈴木”快一百億倍。

關(guān)于高斯玻色采樣，《知識分子》曾做過解釋：它是一種復(fù)雜的采樣計(jì)算，其計(jì)算難度呈指數(shù)增長，很容易超出目前超級計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，適合量子計(jì)算機(jī)來探索解決。它是 “玻色采樣” 的一種，而玻色采樣是量子信息領(lǐng)域第一個在數(shù)學(xué)上被嚴(yán)格證明可用于演示量子計(jì)算加速的算法。

也就是說，通過高斯玻色取樣，“九章”的量子計(jì)算優(yōu)越性得到了證明。

另外，其量子計(jì)算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量，克服了谷歌 “懸鈴木”53 比特隨機(jī)線路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。“九章”輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到了 10 的 30 次方(“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是 10 的 16 次方，目前全世界的存儲容量是 10 的 22 次方)。

這一成果表明我國量子計(jì)算機(jī)算力已全球領(lǐng)先，也受到了諸多認(rèn)可，比如：

Science 審稿人評價：這是一個最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)、一個重大成就。

德國馬克斯 · 普朗克量子光學(xué)研究所所長、沃爾夫獎得主、富蘭克林獎?wù)碌弥?Ignacio Cirac 表示：這是量子科技領(lǐng)域的一個重大突破，朝著研制相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有量子優(yōu)勢的量子設(shè)備邁出了一大步。

麻省理工學(xué)院副教授、美國青年科學(xué)家總統(tǒng)獎得主、斯隆獎得主 Dirk Englund 評價：這是一項(xiàng)劃時代的成果。

加拿大卡爾加里大學(xué)教授、量子科學(xué)和技術(shù)研究所所長 Barry Sanders 表示：這是一項(xiàng)杰出的工作，改變了當(dāng)前的格局。

北大教授兩次發(fā)文質(zhì)疑

不過，正如很多科研成果一樣，“九章”也同樣受到了質(zhì)疑。

公開資料顯示，發(fā)出質(zhì)疑聲音的涂傳詒教授，系空間物理學(xué)家、中國科學(xué)院院士、第三世界科學(xué)院院士，也是北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。涂傳詒教授 1964 年畢業(yè)于北京大學(xué)地球物理系，主要研究領(lǐng)域包括空間物理學(xué)、太陽風(fēng)湍流、太陽風(fēng)動力學(xué)與日球?qū)游锢淼取?/p>

涂傳詒教授兩次通過北京大學(xué)空間物理研究所官方微信號 “pku 空間所”發(fā)文。

先是2020 年 12 月 21 日，題為《雜談|是量子計(jì)算，還是光學(xué)實(shí)驗(yàn)?》的文章發(fā)布)。文章開篇首先表明：

對于實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)性、實(shí)驗(yàn)解決的問題、實(shí)驗(yàn)技術(shù)的挑戰(zhàn)，沒有爭論。

不過涂傳詒教授認(rèn)為，從論文的標(biāo)題《用光子進(jìn)行量子計(jì)算的優(yōu)越性》就可看出，作者認(rèn)為其用光子做的實(shí)驗(yàn)就是量子計(jì)算。

這可能會導(dǎo)致如下爭議的出現(xiàn)：

模擬 “高斯玻色取樣”的過程是物理實(shí)驗(yàn)還是量子計(jì)算?

實(shí)驗(yàn)裝置是不是量子計(jì)算機(jī)?

實(shí)驗(yàn)獲得結(jié)果的速度與超級計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬該項(xiàng)任務(wù)的速度比較是否有意義?

所以涂傳詒教授的結(jié)論是：

研究混淆了 “實(shí)驗(yàn)”與 “計(jì)算”的概念，所做的光學(xué)實(shí)驗(yàn)與量子計(jì)算無關(guān)，“九章” 機(jī)器不是量子計(jì)算機(jī)，不能直接顯示量子計(jì)算的優(yōu)越性。

他也在文章中明確了一點(diǎn)：討論這些問題不涉及學(xué)術(shù)，但這是社會關(guān)心的熱點(diǎn)問題，討論這一問題，對于厘清相關(guān)名詞和語言的概念是重要的，對于準(zhǔn)確描述相關(guān)科技現(xiàn)狀是重要的，對于公眾的理解是重要的。

隨后在2021 年 3 月 11 日，《對 “九章 - 光量子計(jì)算機(jī)” 的理解》一文發(fā)布。在這篇文章中，涂傳詒教授提到：

雖然研究團(tuán)隊(duì)在論文發(fā)表后通過網(wǎng)上直播講座聲明九章是 “專用量子模擬機(jī)”或 “量子硬件處理器”，但該論文仍在公眾中造成嚴(yán)重誤導(dǎo)。

涂傳詒教授表達(dá)的邏輯有這樣兩層：

論文發(fā)表前經(jīng)過了嚴(yán)格評審，且其評審人恰是 7 年前提出 “玻色采樣”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目文章的作者 Scott Aaronson，因此人們自然會將 “光量子計(jì)算機(jī)”理解為是一臺通用量子計(jì)算機(jī)，認(rèn)定中國的 “量子計(jì)算機(jī)”顯示了量子計(jì)算的優(yōu)越性。

Scott Aaronson7 年前的文章明確指出，玻色采樣實(shí)驗(yàn)沒有通用量子計(jì)算機(jī)的功能，且玻色采樣的目的不是數(shù)學(xué)計(jì)算。因此，該研究結(jié)果不符合審稿人本意。

文章中，涂傳詒教授對相關(guān)概念進(jìn)行了界定、對概念的混淆和誤導(dǎo)進(jìn)行了討論，并指出：

從任何角度說，玻色采樣實(shí)驗(yàn)都不是計(jì)算過程，也不是模擬過程，與量子計(jì)算也沒有任何關(guān)聯(lián);九章機(jī)器就是玻色采樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，與通用量子計(jì)算機(jī)沒有任何關(guān)聯(lián)。

值得一提的是，他也表示：

在撰寫這篇評論過程中咨詢過多位專家，并與該文作者通過電子郵件進(jìn)行了有益的討論。

潘建偉、陸朝陽回應(yīng)

針對上述質(zhì)疑，「九章」研究團(tuán)隊(duì)的潘建偉教授、陸朝陽教授共同撰文做出回應(yīng)《“九章”作者對涂傳詒先生等若干網(wǎng)絡(luò)評論文章的回復(fù)》。

兩位教授提到：

北京大學(xué)涂傳詒院士多次在公眾號發(fā)表質(zhì)疑文章，長期多次來信與我們交流，并發(fā)函至中國科學(xué)院發(fā)表意見。

他們將涂傳詒教授的觀點(diǎn)總結(jié)為：第一，“九章”不是量子計(jì)算機(jī)，沒有實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性;第二，“九章”論文和中國科大的新聞稿使民眾誤認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了通用量子計(jì)算機(jī)。

對此，潘建偉、陸朝陽教授也給出了兩點(diǎn)回答：

根據(jù)量子信息領(lǐng)域國際定義和共識，“九章”是光量子計(jì)算機(jī)。根據(jù)嚴(yán)格的計(jì)算復(fù)雜度證明、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)論證、國際評審以及廣泛的同行評價，“九章”在目前最好的理論框架下，明確無誤實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性。

論文和中國科大新聞通稿都清楚表明，“九章”實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算的第一個里程碑 “量子計(jì)算優(yōu)越性”，讀者只要認(rèn)真閱讀過論文和新聞稿就不會誤解 “九章”是通用量子計(jì)算機(jī)。

兩位教授認(rèn)為，研究成果遭到質(zhì)疑，可能是因?yàn)?“涂先生和部分科學(xué)愛好者對于量子計(jì)算和玻色取樣的專業(yè)概念的理解存在偏差”。

文章中，兩位教授論證、強(qiáng)調(diào)了以下幾方面：

涂先生說的 “量子計(jì)算機(jī)這一說法沒有出處”顯然與事實(shí)不符。“九章”光量子計(jì)算機(jī)這一名詞的使用完全符合國際學(xué)術(shù)界長期建立起來的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的定義。

在現(xiàn)代科學(xué)高度細(xì)化的今天，即使是同一個大領(lǐng)域的學(xué)者也無法很快詳細(xì)了解一個子方向的細(xì)節(jié)和物理意義。因此，現(xiàn)代科學(xué)的通行規(guī)則是由專業(yè)的小同行來進(jìn)行學(xué)術(shù)評價。而根據(jù)國際專業(yè)評審以及廣泛的同行評價，“九章”在目前的理論框架下明確無誤演示了量子計(jì)算優(yōu)越性。

(注：涂傳詒教授主攻空間物理，屬于地球物理學(xué)下設(shè)的二級學(xué)科，而地球物理是以地球?yàn)閷ο蟮囊婚T應(yīng)用物理學(xué);潘建偉教授團(tuán)隊(duì)主攻量子物理，這是研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動規(guī)律的物理學(xué)分支。)

考慮到輿論環(huán)境、創(chuàng)新氛圍，部分領(lǐng)域?qū)W者對于科技創(chuàng)新的新名詞可能抱有非常傳統(tǒng)和保守的態(tài)度，為避免引起外界的過度解讀，中國科大課題組在多方面努力采取了更為中性的表述。在線上直播中，課題組成員借用了更加細(xì)化的稱呼，這些說法絲毫不削弱工作本身的重大科學(xué)意義，也不該被斷章取義。

值得關(guān)注的是，這篇文章及其后記里不乏很多立場鮮明的表述，比如：

涂先生和部分科學(xué)愛好者吐槽 “九章 1+1=2 都算不了”，其實(shí)通過調(diào)節(jié)硬件設(shè)置，“九章”很容易可以計(jì)算 1+1=2，但這無異于殺雞用牛刀。事實(shí)上，涂先生和少數(shù)網(wǎng)民指出來的是 15 年前領(lǐng)域的發(fā)展水平。

為了更便于理解，我們舉一個貼近生活的例子。如同量子計(jì)算機(jī)的研究是為了解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以求解的問題，汽車、飛機(jī)和火箭的產(chǎn)生也是為了突破先前傳統(tǒng)交通工具難以企及的界線。但是，人們不會追求 “大而全”而要求飛機(jī)要載人散步爬樓梯，等等。

筆者覺得，叫什么名字是不重要的，重要的是能干什么。套用一句名言：“解決問題的能力是評價量子計(jì)算的唯一標(biāo)準(zhǔn)。”太空飛船一定要是在水里游的船嗎?機(jī)器 “人”一定要按照原來的 “人”的標(biāo)準(zhǔn)來定義嗎?原子 “彈”非要遵循常規(guī)子彈的條條框框嗎?分子 “馬達(dá)”必須長得符合普通大眾對馬達(dá)的固有印象嗎?

筆者再次感謝涂先生對我們工作的關(guān)心和對我們實(shí)驗(yàn)的高度評價。正因?yàn)槲覀兎浅＞磁逅J(rèn)真的態(tài)度，本著求真的精神，我們也非常認(rèn)真地指出他并沒有完全理解該實(shí)驗(yàn)涉及到的量子計(jì)算知識。

文章最后，兩位教授表示：

量子信息科學(xué)從本世紀(jì)初在國內(nèi)甚至被認(rèn)為是偽科學(xué)，到目前成為幾乎所有發(fā)達(dá)國家的重大戰(zhàn)略，該領(lǐng)域也是一直在質(zhì)疑聲中不斷成長和被接受。在這個過程中，我國已經(jīng)逐步取得了在量子通信領(lǐng)域領(lǐng)跑和在量子計(jì)算領(lǐng)域并跑的公認(rèn)的國際地位。我們會繼續(xù)充滿著極大的感恩、耐心和信心，努力取得更好的成績回饋社會。

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