“九章”量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)也克服了谷歌實(shí)驗(yàn)的一個(gè)漏洞。“打個(gè)比方的話，它短跑是比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快的，但它長(zhǎng)跑其實(shí)是要比經(jīng)典計(jì)算機(jī)慢的。‘九章’不管長(zhǎng)跑短跑，以現(xiàn)有理論來(lái)說(shuō)，都可以比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快。”
在200秒時(shí)間內(nèi)，76個(gè)光子穿過(guò)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)精心構(gòu)筑的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，完成了5000萬(wàn)個(gè)樣本的高斯玻色采樣。而同樣一道數(shù)學(xué)題交給世界上最頂尖的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”，需要6億年，差距超過(guò)了百萬(wàn)億（10的14次方）。
這個(gè)于12月4日揭開(kāi)面紗的光量子計(jì)算模型機(jī)名為“九章”，是世界上第二次達(dá)到加州理工學(xué)院教授普雷斯基爾提出的“量子霸權(quán)”（Quantum supremacy）標(biāo)準(zhǔn)的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)。
潘建偉覺(jué)得這個(gè)名稱(chēng)太霸道，不夠?qū)W術(shù)性。他選擇了 “量子優(yōu)越性”（Quamtum advantage）這個(gè)詞，含義是一樣的，即量子計(jì)算機(jī)在特定問(wèn)題上超越世界上性能最好的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
盡管選擇了一個(gè)更低調(diào)的名詞，“九章”還是引發(fā)了轟動(dòng)性的討論甚至是爭(zhēng)議。它只能算一個(gè)“沒(méi)用”的問(wèn)題？它比谷歌的“懸鈴木”要快100億倍是怎么算出來(lái)的？“燒錢(qián)”在一臺(tái)不能編程的機(jī)器上值得嗎？
陸朝陽(yáng)與潘建偉
面對(duì)這些好奇與質(zhì)疑，12月30日，“九章”論文通訊作者潘建偉、陸朝陽(yáng)走進(jìn)墨子沙龍X知識(shí)分子直播間，與其他5名量子信息或計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的學(xué)者進(jìn)行圓桌討論。
爭(zhēng)議一：“九章”是否比谷歌的“懸鈴木”快100億倍？
世界上首個(gè)完成這項(xiàng)挑戰(zhàn)的是美國(guó)谷歌公司。2019年，谷歌使用了53個(gè)超導(dǎo)量子比特制作了一臺(tái)名為“懸鈴木”（Sycamore）的處理器，運(yùn)行隨機(jī)量子線路采樣，耗時(shí)約200秒可進(jìn)行100萬(wàn)次采樣。而最強(qiáng)超算、 美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Summit計(jì)算機(jī)得到同樣結(jié)果需要花上一年，差距約十萬(wàn)倍。
而如前文所述，在高斯玻色采樣問(wèn)題上，“九章”比Summit的后浪“富岳”要快百萬(wàn)億倍，等效地比谷歌的超導(dǎo)量子比特計(jì)算機(jī)“懸鈴木”快100億倍。
不少人疑惑，“懸鈴木”解決的是隨機(jī)量子線路采樣問(wèn)題，“九章”解決的是高斯玻色采樣問(wèn)題，根本不是一個(gè)問(wèn)題，如何比較？
潘建偉對(duì)此類(lèi)疑惑表示理解；“算的是不一樣的東西，怎么來(lái)比較，好比一個(gè)是跑步，一個(gè)是登山。因此，在我們文章里面，我們只是說(shuō)等效地快多少倍，比方說(shuō)谷歌算他那個(gè)任務(wù)和我們算我們這個(gè)任務(wù)都是10秒鐘算法，最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)算它那個(gè)任務(wù)要1萬(wàn)年，算我們這個(gè)要1億年，這就可以等效地比較，這個(gè)比較并不是特別嚴(yán)格。”
因此，他呼吁媒體傳播不要離開(kāi)科學(xué)內(nèi)涵，不然不僅沒(méi)有推動(dòng)的作用，反而會(huì)帶來(lái)負(fù)面的影響。
上海財(cái)經(jīng)大學(xué)信息學(xué)院教授陸品燕也認(rèn)為，這里的快多少倍，不能用平時(shí)大家接觸到的下一代計(jì)算機(jī)芯片比上一代芯片快多少來(lái)理解。
陸朝陽(yáng)補(bǔ)充道，“九章”量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)也克服了谷歌實(shí)驗(yàn)的一個(gè)漏洞。“打個(gè)比方的話，它短跑是比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快的，但它長(zhǎng)跑其實(shí)是要比經(jīng)典計(jì)算機(jī)慢的。‘九章’不管長(zhǎng)跑短跑，以現(xiàn)有理論來(lái)說(shuō)，都可以比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快。”
爭(zhēng)議二：“九章”是否能編程？
谷歌發(fā)表在《自然》（Nature）上的“懸鈴木”論文題目為《基于可編程超導(dǎo)處理器的量子霸權(quán)》“Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”，而潘建偉團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上的“九章”論文題目為《基于光子的量子計(jì)算優(yōu)越性》“Quantum computational advantage using photons”。
“九章”沒(méi)有提到“可編程”這個(gè)概念，引人注目。
對(duì)此，潘建偉回應(yīng)道，光量子計(jì)算機(jī)原理上是可以編程的，團(tuán)隊(duì)計(jì)算在下一個(gè)版本的“九章”中實(shí)現(xiàn)可編程。
他具體解釋道， 2001年之前，很多人認(rèn)為光量子只能在干涉儀里干涉，不能實(shí)現(xiàn)光和光之間的強(qiáng)耦合，因此做邏輯門(mén)是非常困難的。
“非常有意思的是，三位科學(xué)家在2001年的時(shí)候本來(lái)想證明用光的手段是無(wú)法來(lái)做通用、有效的量子計(jì)算的，結(jié)果在證明過(guò)程中，他們證明小小的量子光學(xué)干涉手段，已經(jīng)足以用來(lái)做有效的、可編程的量子計(jì)算了。這當(dāng)時(shí)在我們領(lǐng)域里面引起了比較大的轟動(dòng)。”
潘建偉表示，量子優(yōu)越性這個(gè)概念本身就只是通向通用量子計(jì)算機(jī)的第一個(gè)里程碑，只是為了演示實(shí)現(xiàn)后續(xù)里程碑的能力基矗“在第一個(gè)里程碑里面，我們就不太關(guān)心它可不可以編程，我們主要關(guān)心它算得快不快，對(duì)那個(gè)任務(wù)來(lái)講，可不可編程是不太重要的。”
那么，“九章”未來(lái)能不能編程？他說(shuō)道，“其實(shí)對(duì)光的強(qiáng)度、相位、折射率、反射率等進(jìn)行調(diào)制的話，就能可編程，我們希望能在2-4年里做這個(gè)事情。”
不過(guò)，潘建偉也強(qiáng)調(diào)，可編程不意味著它什么都可以算，不意味著它是一個(gè)通用計(jì)算機(jī)。
質(zhì)疑三：超算不能更快了？
事實(shí)上，無(wú)論是“懸鈴木”的隨機(jī)路線采樣，還是“九章”的高斯玻色采樣，都是為量子計(jì)算量身定制的問(wèn)題，可以說(shuō)是一場(chǎng)“表演賽”。
盡管如此，還是有人想要在量子計(jì)算的專(zhuān)屬舞臺(tái)上挑戰(zhàn)量子計(jì)算。
事實(shí)上，在2019年谷歌剛剛宣布實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)后不久，IBM公司就證明通過(guò)一些優(yōu)化，將超算解決相同隨機(jī)路線采樣問(wèn)題的時(shí)間從谷歌聲稱(chēng)的1萬(wàn)年降到了2.5天。
那么，超算還能不能更快？“九章”的優(yōu)勢(shì)能禁住時(shí)間的考驗(yàn)嗎？這一點(diǎn)上，連計(jì)算機(jī)科學(xué)家內(nèi)部也有不同的看法。
中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員王飛躍相信，量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性是非常牢靠的，目前都沒(méi)有計(jì)算機(jī)科學(xué)家能證明經(jīng)典計(jì)算能解決這樣的難題。比起來(lái)，他更擔(dān)心量子計(jì)算發(fā)展太快帶來(lái)的危機(jī)。
而陸品燕則對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)懷抱信心。他說(shuō)道，高斯玻色采樣和隨機(jī)路線采樣對(duì)應(yīng)到經(jīng)典計(jì)算就是近似采樣的問(wèn)題，但經(jīng)典計(jì)算機(jī)也有很多好辦法，不用指數(shù)級(jí)的時(shí)間增長(zhǎng)就能完成計(jì)算。超算還能不能更快，尚不能蓋棺定論。
潘建偉和陸朝陽(yáng)透露，“九章”的下一個(gè)版本將把76個(gè)光子拓展到85個(gè)以上，從而令原有的一百萬(wàn)億倍優(yōu)勢(shì)再提高一億倍左右，拉大距離。
不過(guò)，陸朝陽(yáng)強(qiáng)調(diào)，希望經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)挑戰(zhàn)這樣一個(gè)10的14次方的優(yōu)勢(shì)。
“量子優(yōu)越性不是一蹴而就，是不斷提升的量子機(jī)器和經(jīng)典計(jì)算機(jī)之間不斷的競(jìng)爭(zhēng)。但我相信量子并行性最終會(huì)帶來(lái)令經(jīng)典計(jì)算機(jī)望塵莫及的能力。”
質(zhì)疑四：“九章”是否很燒錢(qián)？
在產(chǎn)業(yè)界，量子計(jì)算已經(jīng)掀起來(lái)一股燒錢(qián)的潮流。
潘建偉說(shuō)道，據(jù)可靠的統(tǒng)計(jì)，谷歌以往10年在超導(dǎo)量子計(jì)算上至少花了10億美元以上。即使是在團(tuán)隊(duì)內(nèi)部，也是朱曉波負(fù)責(zé)的超導(dǎo)量子計(jì)算研究比較“值錢(qián)”，整條工藝都要自己加工。“我們有學(xué)校和科學(xué)院的制成，設(shè)備儀器是可以調(diào)用的，肯定沒(méi)有那么多。”
潘建偉坦白地表示：“肯定地說(shuō)，短期內(nèi)只花了錢(qián)，還沒(méi)有掙錢(qián)�，F(xiàn)在是把錢(qián)燒成紙的階段，把紙變成錢(qián)的時(shí)代還沒(méi)有完全到來(lái)。”
不過(guò)，他假設(shè)如果有一天突然發(fā)現(xiàn)高斯玻色采樣是個(gè)很重要的問(wèn)題，而且確實(shí)可以算到80個(gè)光子，從這個(gè)角度，量子計(jì)算就把之前花的錢(qián)都賺回來(lái)了。
要知道，“九章”研究團(tuán)隊(duì)為了在超算上做比較驗(yàn)證，“神威太湖之光”超算幫忙出了40萬(wàn)元的電費(fèi)，進(jìn)行了40個(gè)光子的計(jì)算。如果真要算到76個(gè)光子，電費(fèi)就要超過(guò)美國(guó)的總產(chǎn)值。
爭(zhēng)議五：“九章”是否沒(méi)用？
當(dāng)然，目前我們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)高斯玻色采樣這道對(duì)超算來(lái)說(shuō)很難、對(duì)“九章”來(lái)說(shuō)很容易的數(shù)學(xué)題到底有什么應(yīng)用價(jià)值。
理論表明，2000萬(wàn)個(gè)比特的量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)Shor算法大數(shù)質(zhì)因子分解的量子算法，從而可能使得現(xiàn)有的密碼形同虛設(shè)。
這里人類(lèi)現(xiàn)在能控制的幾十個(gè)量子比特還有很大的差距。
“九章”更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x，其實(shí)是早期的量子模擬器。潘建偉表示，從他自己的角度，不介意“九章”被叫做量子計(jì)算器或者量子算盤(pán)。
陸朝陽(yáng)表示，“量子優(yōu)越性”是健康地走向最終目標(biāo)的基石，而之后的第二個(gè)里程碑，就是專(zhuān)用量子模擬器，在材料設(shè)計(jì)、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域?qū)ふ业綑C(jī)會(huì)，提供一些很好的解決方案。這大概需要數(shù)百到數(shù)千比特。
“我們有信心，估計(jì)在未來(lái)的五年左右應(yīng)該是可以做到的。”
在近階段，陸朝陽(yáng)希望“九章”可以成為實(shí)驗(yàn)研究方面的工具，取代一部分超算的負(fù)擔(dān)。這就像激光一樣，剛被發(fā)明的時(shí)候也是用來(lái)做科學(xué)實(shí)驗(yàn)的。
至于普通大眾想要看到的應(yīng)用，可能需要15-20年的時(shí)間。
騰訊量子實(shí)驗(yàn)室杰出科學(xué)家、香港中文大學(xué)終身教授張勝譽(yù)不覺(jué)得非通用性本身是任何問(wèn)題，如果我們能用一個(gè)非常專(zhuān)用機(jī)器解決一個(gè)重要的問(wèn)題，這本身沒(méi)毛玻
他說(shuō)道：“關(guān)鍵看這個(gè)問(wèn)題在科學(xué)研究或?qū)嶋H應(yīng)用上任何一方面有比較好的價(jià)值。‘懸鈴木’和‘九章’在科學(xué)上證明了我們之前在比較少的粒子上觀測(cè)到的現(xiàn)象，在多粒子體系中并沒(méi)有出現(xiàn)非常不一樣的物理。在工程上也是非常難以實(shí)現(xiàn)的。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都很偉大，我覺(jué)得在科學(xué)和工程上的價(jià)值是被低估的。”
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院量子物理與量子信息研究部教授朱曉波雖然并不負(fù)責(zé)光量子計(jì)算研究方向，但也認(rèn)為，大家對(duì)“九章”科學(xué)和技術(shù)上的進(jìn)步關(guān)注太少了。他形象地說(shuō)道，量子優(yōu)越性最大的意義，“就是孩子終于開(kāi)始走路了”，這遠(yuǎn)超比誰(shuí)快、比誰(shuí)慢的意義。
