在200秒時間內(nèi)，76個光子穿過中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊精心構(gòu)筑的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，完成了5000萬個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計算機(jī)“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(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)的量子計算實(shí)驗(yàn)。

潘建偉覺得這個名稱太霸道，不夠?qū)W術(shù)性。他選擇了 “量子優(yōu)越性”（Quamtum advantage）這個詞，含義是一樣的，即量子計算機(jī)在特定問題上超越世界上性能最好的經(jīng)典計算機(jī)。

盡管選擇了一個更低調(diào)的名詞，“九章”還是引發(fā)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(jī)器上值得嗎？

陸朝陽與潘建偉

面對這些好奇與質(zhì)疑，12月30日，“九章”論文通訊作者潘建偉、陸朝陽走進(jìn)墨子沙龍X知識分子直播間，與其他5名量子信息或計算機(jī)領(lǐng)域的學(xué)者進(jìn)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(xiàng)挑戰(zhàn)的是美國谷歌公司。2019年，谷歌使用了53個超導(dǎo)量子比特制作了一臺名為“懸鈴木”（Sycamore）的處理器，運(yùn)行隨機(jī)量子線路采樣，耗時約200秒可進(jìn)行100萬次采樣。而最強(qiáng)超算、 美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室Summit計算機(jī)得到同樣結(jié)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(dǎo)量子比特計算機(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(wù)和我們算我們這個任務(wù)都是10秒鐘算法，最快的超級計算機(jī)算它那個任務(wù)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(yán)格。”

因此，他呼吁媒體傳播不要離開科學(xué)內(nèi)涵，不然不僅沒有推動的作用，反而會帶來負(fù)面的影響。

上海財經(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，不能用平時大家接觸到的下一代計算機(jī)芯片比上一代芯片快多少來理解。

陸朝陽補(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)的一個漏洞?！按騻€比方的話，它短跑是比經(jīng)典計算機(jī)快的，但它長跑其實(shí)是要比經(jīng)典計算機(jī)慢的?！耪隆还荛L跑短跑，以現(xiàn)有理論來說，都可以比經(jīng)典計算機(jī)快?！?/p>

爭議二：“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《基于光子的量子計算優(yōu)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(yīng)道，光量子計算機(jī)原理上是可以編程的，團(tuán)隊計算在下一個版本的“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，因此做邏輯門是非常困難的。

“非常有意思的是，三位科學(xué)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(jié)果在證明過程中，他們證明小小的量子光學(xué)干涉手段，已經(jīng)足以用來做有效的、可編程的量子計算了。這當(dāng)時在我們領(lǐng)域里面引起了比較大的轟動?！?/p>

潘建偉表示，量子優(yōu)越性這個概念本身就只是通向通用量子計算機(jī)的第一個里程碑，只是為了演示實(shí)現(xiàn)后續(xù)里程碑的能力基礎(chǔ)。“在第一個里程碑里面，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，對那個任務(wù)來講，可不可編程是不太重要的?！?/p>

那么，“九章”未來能不能編程？他說道，“其實(shí)對光的強(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年里做這個事情?！?/p>

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

爭議三：超算不能更快了？

事實(shí)上，無論是“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(zhàn)量子計算。

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公司就證明通過一些優(yōu)化，將超算解決相同隨機(jī)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(yōu)勢能禁住時間的考驗(yàn)嗎？這一點(diǎn)上，連計算機(jī)科學(xué)家內(nèi)部也有不同的看法。

中國科學(xué)院自動化研究所研究員王飛躍相信，量子計算機(jī)的優(yōu)越性是非常牢靠的，目前都沒有計算機(jī)科學(xué)家能證明經(jīng)典計算能解決這樣的難題。比起來，他更擔(dān)心量子計算發(fā)展太快帶來的危機(jī)。

而陸品燕則對經(jīng)典計算機(jī)懷抱信心。他說道，高斯玻色采樣和隨機(jī)路線采樣對應(yīng)到經(jīng)典計算就是近似采樣的問題，但經(jīng)典計算機(jī)也有很多好辦法，不用指數(shù)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(yōu)勢再提高一億倍左右，拉大距離。

不過，陸朝陽強(qiáng)調(diào)，希望經(jīng)典計算機(jī)來挑戰(zhàn)這樣一個10的14次方的優(yōu)勢。

“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)典計算機(jī)之間不斷的競爭。但我相信量子并行性最終會帶來令經(jīng)典計算機(jī)望塵莫及的能力?！?/p>

爭議四：“九章”是否很燒錢？

在產(chǎn)業(yè)界，量子計算已經(jīng)掀起來一股燒錢的潮流。

潘建偉說道，據(jù)可靠的統(tǒng)計，谷歌以往10年在超導(dǎo)量子計算上至少花了10億美元以上。即使是在團(tuán)隊內(nèi)部，也是朱曉波負(fù)責(zé)的超導(dǎo)量子計算研究比較“值錢”，整條工藝都要自己加工?！拔覀冇袑W(xué)校和科學(xué)院的制成，設(shè)備儀器是可以調(diào)用的，肯定沒有那么多。”

潘建偉坦白地表示：“肯定地說，短期內(nèi)只花了錢，還沒有掙錢。現(xiàn)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?！?/p>

不過，他假設(shè)如果有一天突然發(fā)現(xiàn)高斯玻色采樣是個很重要的問題，而且確實(shí)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(tuán)隊為了在超算上做比較驗(yàn)證，“神威·太湖之光”超算幫忙出了40萬元的電費(fèi)，進(jìn)行了40個光子的計算。如果真要算到76個光子，電費(fèi)就要超過美國的總產(chǎn)值。

爭議五：“九章”是否沒用？

當(dāng)然，目前我們還沒有發(fā)現(xiàn)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(shù)學(xué)題到底有什么應(yīng)用價值。

理論表明，2000萬個比特的量子計算機(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)。

這里人類現(xiàn)在能控制的幾十個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”被叫做量子計算器或者量子算盤。

陸朝陽表示，“量子優(yōu)越性”是健康地走向最終目標(biāo)的基石，而之后的第二個里程碑，就是專用量子模擬器，在材料設(shè)計、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域?qū)ふ业綑C(jī)會，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，估計在未來的五年左右應(yīng)該是可以做到的。”

在近階段，陸朝陽希望“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)明的時候也是用來做科學(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(jī)器解決一個重要的問題，這本身沒毛病。

他說道：“關(guān)鍵看這個問題在科學(xué)研究或?qū)嶋H應(yīng)用上任何一方面有比較好的價值?！畱意從尽汀耪隆诳茖W(xué)上證明了我們之前在比較少的粒子上觀測到的現(xiàn)象，在多粒子體系中并沒有出現(xiàn)非常不一樣的物理。在工程上也是非常難以實(shí)現(xiàn)的。兩個團(tuán)隊都很偉大，我覺得在科學(xué)和工程上的價值是被低估的?！?/p>

中國科學(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)光量子計算研究方向，但也認(rèn)為，大家對“九章”科學(xué)和技術(shù)上的進(jìn)步關(guān)注太少了。他形象地說道，量子優(yōu)越性最大的意義，“就是孩子終于開始走路了”，這遠(yuǎn)超比誰快、比誰慢的意義。