不能編程、燒錢、沒用？潘建偉直播回應“九章”量子計算爭議

在200秒時間內，76個光子穿過中國科學技術大學潘建偉團隊精心構筑的光學網絡，完成了5000萬個樣本的高斯玻色采樣。而同樣一道數學題交給世界上最頂尖的超級計算機“富岳”，需要6億年，差距超過了百萬億（10的14次方）。

這個于12月4日揭開面紗的光量子計算模型機名為“ 九章 ”，是世界上第二次達到加州理工學院教授普雷斯基爾提出的“量子霸權”（Quantum supremacy）標準的量子計算實驗。

潘建偉覺得這個名稱太霸道，不夠學術性。他選擇了 “量子優越性”（Quamtum advantage）這個詞，含義是一樣的，即量子計算機在特定問題上超越世界上性能最好的經典計算機。

盡管選擇了一個更低調的名詞，“九章”還是引發了轟動性的討論甚至是爭議。它只能算一個“沒用”的問題？它比谷歌的“懸鈴木”要快100億倍是怎么算出來的？“燒錢”在一臺不能編程的機器上值得嗎？

陸朝陽與潘建偉面對這些好奇與質疑，“九章”論文通訊作者潘建偉、陸朝陽走直播間，與其他5名量子信息或計算機領域的學者進行圓桌討論。

爭議一：“九章”是否比谷歌的“懸鈴木”快100億倍？

世界上首個完成這項挑戰的是美國谷歌公司。2019年，谷歌使用了53個超導量子比特制作了一臺名為“懸鈴木”（Sycamore）的處理器，運行隨機量子線路采樣，耗時約200秒可進行100萬次采樣。而最強超算、 美國橡樹嶺國家實驗室Summit計算機得到同樣結果需要花上一年，差距約十萬倍。

而如前文所述，在高斯玻色采樣問題上，“九章”比Summit的后浪“富岳”要快百萬億倍，等效地比谷歌的超導量子比特計算機“懸鈴木”快100億倍。

不少人疑惑，“懸鈴木”解決的是隨機量子線路采樣問題，“九章”解決的是高斯玻色采樣問題，根本不是一個問題，如何比較？

潘建偉對此類疑惑表示理解；“算的是不一樣的東西，怎么來比較，好比一個是跑步，一個是登山。因此，在我們文章里面，我們只是說等效地快多少倍，比方說谷歌算他那個任務和我們算我們這個任務都是10秒鐘算法，最快的超級計算機算它那個任務要1萬年，算我們這個要1億年，這就可以等效地比較，這個比較并不是特別嚴格。”

因此，他呼吁媒體傳播不要離開科學內涵，不然不僅沒有推動的作用，反而會帶來負面的影響。

上海財經大學信息學院教授陸品燕也認為，這里的快多少倍，不能用平時大家接觸到的下一代計算機芯片比上一代芯片快多少來理解。

陸朝陽補充道，“九章”量子優越性實驗也克服了谷歌實驗的一個漏洞。“打個比方的話，它短跑是比經典計算機快的，但它長跑其實是要比經典計算機慢的。‘九章’不管長跑短跑，以現有理論來說，都可以比經典計算機快。”

爭議二：“九章”是否能編程？

谷歌發表在《自然》（Nature）上的“懸鈴木”論文題目為《基于可編程超導處理器的量子霸權》“Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”，而潘建偉團隊發表在《科學》（Science）上的“九章”論文題目為《基于光子的量子計算優越性》“Quantum computational advantage using photons”。

“九章”沒有提到“可編程”這個概念，引人注目。

對此，潘建偉回應道，光量子計算機原理上是可以編程的，團隊計算在下一個版本的“九章”中實現可編程。

他具體解釋道， 2001年之前，很多人認為光量子只能在干涉儀里干涉，不能實現光和光之間的強耦合，因此做邏輯門是非常困難的。

“非常有意思的是，三位科學家在2001年的時候本來想證明用光的手段是無法來做通用、有效的量子計算的，結果在證明過程中，他們證明小小的量子光學干涉手段，已經足以用來做有效的、可編程的量子計算了。這當時在我們領域里面引起了比較大的轟動。”

潘建偉表示，量子優越性這個概念本身就只是通向通用量子計算機的第一個里程碑，只是為了演示實現后續里程碑的能力基礎。“在第一個里程碑里面，我們就不太關心它可不可以編程，我們主要關心它算得快不快，對那個任務來講，可不可編程是不太重要的。”

那么，“九章”未來能不能編程？他說道，“其實對光的強度、相位、折射率、反射率等進行調制的話，就能可編程，我們希望能在2-4年里做這個事情。”

不過，潘建偉也強調，可編程不意味著它什么都可以算，不意味著它是一個通用計算機。

質疑三：超算不能更快了？

事實上，無論是“懸鈴木”的隨機路線采樣，還是“九章”的高斯玻色采樣，都是為量子計算量身定制的問題，可以說是一場“表演賽”。

盡管如此，還是有人想要在量子計算的專屬舞臺上挑戰量子計算。

事實上，在2019年谷歌剛剛宣布實現量子霸權后不久，IBM公司就證明通過一些優化，將超算解決相同隨機路線采樣問題的時間從谷歌聲稱的1萬年降到了2.5天。

那么，超算還能不能更快？“九章”的優勢能禁住時間的考驗嗎？這一點上，連計算機科學家內部也有不同的看法。

中國科學院自動化研究所研究員王飛躍相信，量子計算機的優越性是非常牢靠的，目前都沒有計算機科學家能證明經典計算能解決這樣的難題。比起來，他更擔心量子計算發展太快帶來的危機。

而陸品燕則對經典計算機懷抱信心。他說道，高斯玻色采樣和隨機路線采樣對應到經典計算就是近似采樣的問題，但經典計算機也有很多好辦法，不用指數級的時間增長就能完成計算。超算還能不能更快，尚不能蓋棺定論。

潘建偉和陸朝陽透露，“九章”的下一個版本將把76個光子拓展到85個以上，從而令原有的一百萬億倍優勢再提高一億倍左右，拉大距離。

不過，陸朝陽強調，希望經典計算機來挑戰這樣一個10的14次方的優勢。

“量子優越性不是一蹴而就，是不斷提升的量子機器和經典計算機之間不斷的競爭。但我相信量子并行性最終會帶來令經典計算機望塵莫及的能力。”

質疑四：“九章”是否很燒錢？

在產業界，量子計算已經掀起來一股燒錢的潮流。

潘建偉說道，據可靠的統計，谷歌以往10年在超導量子計算上至少花了10億美元以上。即使是在團隊內部，也是朱曉波負責的超導量子計算研究比較“值錢”，整條工藝都要自己加工。“我們有學校和科學院的制成，設備儀器是可以調用的，肯定沒有那么多。”

潘建偉坦白地表示：“肯定地說，短期內只花了錢，還沒有掙錢。現在是把錢燒成紙的階段，把紙變成錢的時代還沒有完全到來。”

不過，他假設如果有一天突然發現高斯玻色采樣是個很重要的問題，而且確實可以算到80個光子，從這個角度，量子計算就把之前花的錢都賺回來了。

要知道，“九章”研究團隊為了在超算上做比較驗證，“神威·太湖之光”超算幫忙出了40萬元的電費，進行了40個光子的計算。如果真要算到76個光子，電費就要超過美國的總產值。

爭議五：“九章”是否沒用？

當然，目前我們還沒有發現高斯玻色采樣這道對超算來說很難、對“九章”來說很容易的數學題到底有什么應用價值。

理論表明，2000萬個比特的量子計算機可以實現Shor算法—大數質因子分解的量子算法，從而可能使得現有的密碼形同虛設。

這里人類現在能控制的幾十個量子比特還有很大的差距。

“九章”更嚴謹的定義，其實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”被叫做量子計算器或者量子算盤。

陸朝陽表示，“量子優越性”是健康地走向最終目標的基石，而之后的第二個里程碑，就是專用量子模擬器，在材料設計、量子化學、機器學習等領域尋找到機會，提供一些很好的解決方案。這大概需要數百到數千比特。

“我們有信心，估計在未來的五年左右應該是可以做到的。”

在近階段，陸朝陽希望“九章”可以成為實驗研究方面的工具，取代一部分超算的負擔。這就像激光一樣，剛被發明的時候也是用來做科學實驗的。

至于普通大眾想要看到的應用，可能需要15-20年的時間。

騰訊量子實驗室杰出科學家、香港中文大學終身教授張勝譽不覺得非通用性本身是任何問題，如果我們能用一個非常專用機器解決一個重要的問題，這本身沒毛病。

他說道：“關鍵看這個問題在科學研究或實際應用上任何一方面有比較好的價值。‘懸鈴木’和‘九章’在科學上證明了我們之前在比較少的粒子上觀測到的現象，在多粒子體系中并沒有出現非常不一樣的物理。在工程上也是非常難以實現的。兩個團隊都很偉大，我覺得在科學和工程上的價值是被低估的。”

中國科學技術大學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責光量子計算研究方向，但也認為，大家對“九章”科學和技術上的進步關注太少了。他形象地說道，量子優越性最大的意義，“就是孩子終于開始走路了”，這遠超比誰快、比誰慢的意義。

來源：澎湃新聞

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