“九章” 作者對(duì)涂傳詒先生等若干網(wǎng)絡(luò)評(píng)論文章的回復(fù)｜ 爭(zhēng)鳴
- 編者按 - 為了提供一個(gè)開(kāi)放的科學(xué)討論平臺(tái)，“知識(shí)分子” 與“墨子沙龍” 邀請(qǐng)到陸朝陽(yáng)和潘建偉就相關(guān)疑問(wèn)進(jìn)行回復(fù)，并獲涂傳詒授權(quán)轉(zhuǎn)載其質(zhì)疑問(wèn)題?，F(xiàn)一并刊登，以饗讀者。
撰文 | 陸朝陽(yáng) 潘建偉
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構(gòu)建 “九章” 光量子計(jì)算原型機(jī)并實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的論文正式發(fā)表后 [1]，短短時(shí)間內(nèi)在美國(guó)《科學(xué)》網(wǎng)站的全文閱讀量已經(jīng)達(dá)到26萬(wàn)次。這個(gè)工作不僅吸引了量子計(jì)算領(lǐng)域同行的廣泛關(guān)注，也引發(fā)了其他領(lǐng)域?qū)W者和社會(huì)公眾的興趣。
例如，研究 “空間物理學(xué)、太陽(yáng)風(fēng)湍流、太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)力學(xué)與日球?qū)游锢怼?的北京大學(xué)涂傳詒院士多次在公眾號(hào)發(fā)表質(zhì)疑文章，長(zhǎng)期多次來(lái)信與我們交流，并發(fā)函至中國(guó)科學(xué)院發(fā)表意見(jiàn)。涂傳詒院士主要有兩個(gè)質(zhì)疑：
1. “九章” 不是量子計(jì)算機(jī)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性。[2]
2. “九章” 論文和中國(guó)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)。[3]
筆者非常感謝涂先生對(duì)我們工作的關(guān)注，對(duì)于他的質(zhì)疑，我們給出如下回答：
1. 根據(jù)量子信息領(lǐng)域國(guó)際學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期確立的定義和共識(shí)，“九章” 毫無(wú)疑問(wèn)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(guó)際評(píng)審以及廣泛的同行評(píng)價(jià)，“九章” 在目前最好的理論框架下，明確無(wú)誤地實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性。
2. “九章” 論文和中國(guó)科大的新聞通稿都清楚地表明了 “九章” 實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算三個(gè)里程碑中的第一個(gè)里程碑 “量子計(jì)算優(yōu)越性”。凡是認(rèn)真閱讀過(guò)九章論文和新聞稿的讀者，都不會(huì)誤解 “九章” 是通用量子計(jì)算機(jī)。
結(jié)合其他流傳的網(wǎng)絡(luò)評(píng)論文章，筆者分析了引起質(zhì)疑的原因，認(rèn)為可能是由于涂先生和部分科學(xué)愛(ài)好者對(duì)于量子計(jì)算和玻色取樣的專(zhuān)業(yè)概念的理解存在偏差。對(duì)此，我們?cè)谌缦禄貜?fù)中進(jìn)行了詳細(xì)闡述。
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國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)于 “量子計(jì)算機(jī)” 的定義和詞匯使用
2010年，六位在不同物理系統(tǒng)上（光學(xué)、超導(dǎo)、離子阱、固態(tài)等）研究量子計(jì)算的資深專(zhuān)家在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了題目為 “Quantum computers ”（量子計(jì)算機(jī)）的綜述論文 [Nature 464, 45 (2010)]，文中第一句話就定義了量子計(jì)算機(jī)：“量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)利用多粒子量子波函數(shù)的復(fù)雜性來(lái)解決計(jì)算難題的機(jī)器?！?/span>（“a quantum computer: a machine that would exploit the full complexity of a many-particle quantum wavefunction to solve a computational problem.”）
維基百科（quantum computing 詞條）上對(duì)量子計(jì)算的定義為：“量子計(jì)算是指利用相干疊加和糾纏等量子現(xiàn)象來(lái)執(zhí)行計(jì)算?！?/span>（“Quantum computing is the use of quantum phenomena such as superposition and entanglement to perform computation.”）
在這一定義下，“量子計(jì)算機(jī)” 已經(jīng)被國(guó)際學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期使用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1998年以來(lái)（當(dāng)時(shí)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)技術(shù)剛剛起步，只能做兩個(gè)物理比特和最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)演示），包括 David J. Wineland（因?yàn)榱孔佑?jì)算等獲得2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）、Peter Zoller（2013年沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)）、Anton Zeilinger（2010年沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)）、Rainer Blatt （美國(guó)科學(xué)院院士）等在內(nèi)的國(guó)際量子計(jì)算研究先驅(qū)在他們利用原子、離子、核磁、光子等開(kāi)展量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究的文章題目中就已經(jīng)醒目地使用“quantum computer”（“量子計(jì)算機(jī)”）一詞。列舉幾個(gè)例子：
● Hansen, et al. Implementation of a quantum search algorithm on a quantum computer. Nature 393, 344 (1998).
● Wineland, et al. Experimental Primer on the Trapped Ion Quantum Computer. Fortschritte der Physik, 46, 363 (1998).
● Blatt, et al. Implementation of the Deutsch–Jozsa algorithm on an ion-trap quantum computer. Nature 421, 48 (2003).
● Zeilinger, et al. Experimental realization of Deutsch's algorithm in a one-way quantum computer. PRL 98 140501 (2007).
● Blatt, et al. Deterministic entanglement swapping with an ion-trap quantum computer. Nature Physics 4, 839 (2008).
● Zoller, & Blatt, et al. Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer. Nature 534, 516 (2016)。
“九章” 論文經(jīng)過(guò)正常的國(guó)際同行評(píng)議，發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。論文的摘要里就明確指出“The photonic quantum computer, Jiuzhang, generates up to 76 output photon……”（這一光量子計(jì)算機(jī)，九章，產(chǎn)生了高達(dá)76個(gè)輸出光子……）。所以，涂先生說(shuō)的 “量子計(jì)算機(jī)這一說(shuō)法沒(méi)有出處” 顯然與事實(shí)不符。
綜上，“九章” 光量子計(jì)算機(jī)這一名詞的使用完全符合國(guó)際學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期建立起來(lái)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的定義。
“九章” 實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的科學(xué)意義
“九章” 最重要的科學(xué)貢獻(xiàn)是首次顯示了基于光子的量子計(jì)算機(jī)在特定問(wèn)題求解方面超越了最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)（根據(jù)目前最好理論，快一百萬(wàn)億倍），使我國(guó)首次利用光子體系達(dá)到量子計(jì)算優(yōu)越性里程碑。
在現(xiàn)代科學(xué)高度細(xì)化的今天，即使是同一個(gè)大領(lǐng)域的學(xué)者也無(wú)法很快詳細(xì)了解一個(gè)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(zhuān)業(yè)的小同行來(lái)進(jìn)行學(xué)術(shù)評(píng)價(jià)。“九章”的文章題目是“Quantum computational advantage using photons ”，就清清楚楚地宣稱(chēng)了 “利用光子實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性”，這一宣稱(chēng)是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的國(guó)際同行的匿名評(píng)審的。“九章” 論文在線發(fā)表三個(gè)月，這一宣稱(chēng)已被包括來(lái)自哈佛、普林斯頓、斯坦福、牛津、耶魯、MIT、NIST、ETH以及谷歌、微軟、IBM等單位的國(guó)際同行正面引用90余次（Google Scholar）。這里僅舉幾個(gè)同行評(píng)價(jià)的例子（更多材料請(qǐng)見(jiàn)文后附件）：
● 來(lái)自哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院、加拿大多倫多大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)等的15名國(guó)際知名學(xué)者應(yīng)邀為《現(xiàn)代物理評(píng)論》（Reviews of Modern Physics）謄寫(xiě)的預(yù)印本論文中（arXiv:2101.08448，第4頁(yè)），提到 “除了谷歌之外，另外一個(gè)量子計(jì)算優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)由潘建偉小組完成，他們利用 ‘九章’ 光量子計(jì)算機(jī)完成了高斯玻色取樣任務(wù)”
（“An additional quantum advantage experiment was carried out by Jian-Wei Pan’s group using a Jiuzhang photonic quantum computer performing Gaussian boson sampling (GBS) …”）
● 瑞典皇家理工學(xué)院的 Val Zwiller 教授在《 Advanced Photonics 》期刊發(fā)表評(píng)述文章，評(píng)價(jià)：“在超導(dǎo)和光子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性可以被看作是第一個(gè)人造衛(wèi)星Sputnik時(shí)刻，如同20世紀(jì)的太空競(jìng)賽一樣，量子競(jìng)賽正在形成，而新技術(shù)將釋放巨大的優(yōu)勢(shì)。主要的應(yīng)用還有待發(fā)明，就像在Sputnik時(shí)代，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS還沒(méi)有被設(shè)想過(guò)一樣?！?/span>
（“Demonstrations of quantum computational advantage in superconducting and photonic systems can be seen as a Sputnik moment where, much like for the space race in the 20th century, a quantum race is taking shape where new technologies will unleash massive advantages. The main applications remain to be invented, much like the GPS had not yet been imagined in the days of Sputnik.”）
Sputnik 是蘇聯(lián)發(fā)射的首顆人造衛(wèi)星，預(yù)示了太空時(shí)代的開(kāi)始。雖然Sputnik沒(méi)有實(shí)用的功能，只會(huì)繞地球旋轉(zhuǎn)發(fā)出周期性的 “嗶嗶” 的聲音，但是它首次展示了人類(lèi)探索太空的能力。
● 麻省理工學(xué)院教授 Dirk Englund 在接受媒體采訪中評(píng)價(jià)：“這是一個(gè)劃時(shí)代的成果。這是開(kāi)發(fā)這些中型量子計(jì)算機(jī)的里程碑?！?/span>
（“This is a momentous result. It’s a milestone in development these intermediate scale quantum computers. ”）
綜上，根據(jù)國(guó)際專(zhuān)業(yè)評(píng)審以及廣泛的同行評(píng)價(jià)，“九章” 在目前的理論框架下明確無(wú)誤演示了量子計(jì)算優(yōu)越性，該工作的重要性獲得了國(guó)際學(xué)術(shù)界的高度評(píng)價(jià)。
國(guó)際科學(xué)媒體對(duì) “九章” 的報(bào)道
“九章” 論文發(fā)表之后，在《科學(xué)》網(wǎng)站的全文閱讀量已經(jīng)達(dá)到26萬(wàn)次（一般發(fā)表在《自然》和《科學(xué)》上的物理類(lèi)論文全文閱讀量同期平均大約是三千次），在推特上閱讀量超過(guò)600萬(wàn)，被包括《自然》、《科學(xué)美國(guó)人》、《新科學(xué)家》等在內(nèi)的百余家國(guó)際科技媒體積極報(bào)道。舉幾個(gè)例子（全文和更多報(bào)道請(qǐng)見(jiàn)附件）：
●《自然》新聞 – 中國(guó)物理學(xué)家向谷歌 “量子計(jì)算優(yōu)越性” 發(fā)起挑戰(zhàn)：光量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)無(wú)法完成的運(yùn)算。
（Nature News – Physicists in China challenge Google's 'quantum advantage': Photon-based quantum computer does a calculation that ordinary computers might never be able to do.）
●《科學(xué)美國(guó)人》– 光量子計(jì)算機(jī)超過(guò)全球運(yùn)算最快的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
（Scientific American – Light-Based Quantum Computer Exceeds Fastest Classical Supercomputers.）
●《新科學(xué)家》– 測(cè)量光的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。
（New Scientist – A quantum computer that measures light has achieved quantum supremacy.）
●《科學(xué)新聞》– “九章” 新型光學(xué)量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。
（Science News – The new light-based quantum computer Jiuzhang has achieved quantum supremacy.）
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中國(guó)科大的新聞通稿和科普努力
一方面，國(guó)際學(xué)術(shù)界和國(guó)際媒體廣泛使用 “量子計(jì)算機(jī)” 標(biāo)題對(duì) “九章” 進(jìn)行了報(bào)道并給予了高度贊譽(yù)；另一方面，考慮到國(guó)內(nèi)輿論環(huán)境、創(chuàng)新氛圍不同，部分領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)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，為了避免引起外界的過(guò)度解讀，中國(guó)科大課題組努力采取了更加中性的表述：
首先，為了避免論文被誤讀為容錯(cuò)的通用量子計(jì)算機(jī)，“九章” 論文前言明確指出：“建造可以用來(lái)運(yùn)行Shor算法的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)還需要長(zhǎng)期的努力”（Building a fault-tolerant quantum computer to run Shor’s algorithm, however, still requires long-term efforts）。
其次，盡管先前谷歌和媒體用了 “量子霸權(quán)”（quantum supremacy）一詞來(lái)報(bào)道谷歌 “懸鈴木” 的工作，中國(guó)科大課題組為了避免 “量子霸權(quán)” 一詞帶來(lái)的潛在的政治風(fēng)險(xiǎn)和不必要的炒作，在論文和新聞通稿中都采用了更中性的“量子計(jì)算優(yōu)越性”（quantum computational advantage）一詞。
第三， 在新聞通稿中特意用了 “量子計(jì)算原型機(jī)”（prototype）的稱(chēng)呼，以此強(qiáng)調(diào)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，離實(shí)用化還有距離。
第四，為了避免公眾和媒體誤讀為已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通用量子計(jì)算機(jī)，新聞通稿特別給出了量子計(jì)算發(fā)展的三步走的里程碑，并明確指出 “九章” 工作和谷歌的 “懸鈴木” 一樣是第一步，而容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)是第三步。發(fā)布在中國(guó)科大主頁(yè)的新聞通稿相關(guān)闡述部分如下：
對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的研究，本領(lǐng)域的國(guó)際同行公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：
(1) 發(fā)展具備50-100個(gè)量子比特的高精度專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)，對(duì)于一些超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的高復(fù)雜度特定問(wèn)題實(shí)現(xiàn)高效求解，實(shí)現(xiàn) “量子計(jì)算優(yōu)越性” 的里程碑。
(2) 通過(guò)對(duì)規(guī)?；囿w量子體系的精確制備、操控與探測(cè)，研制可相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，用于解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題（如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等）。
(3) 通過(guò)積累在專(zhuān)用量子計(jì)算與模擬機(jī)的研制過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的各種技術(shù)，提高量子比特的操縱精度使之達(dá)到能超越量子計(jì)算苛刻的容錯(cuò)閾值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特?cái)?shù)目（百萬(wàn)量級(jí)），實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子邏輯門(mén)，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。
第五，在論文結(jié)果閉門(mén)介紹會(huì)上，中國(guó)科大邀請(qǐng)了部分媒體記者和課題組成員進(jìn)行了當(dāng)面交流，力求宣傳報(bào)道準(zhǔn)確嚴(yán)謹(jǐn)。官方發(fā)布的新聞通稿的科學(xué)解讀強(qiáng)調(diào)了三步走的里程碑，明確指出該實(shí)驗(yàn)是第一步。
第六，盡管做了上述努力，在復(fù)雜多變的信息傳播過(guò)程中，依然不可避免地出現(xiàn)了一些對(duì)相關(guān)工作了解不夠的媒體和個(gè)人公眾號(hào)的過(guò)度解讀。中國(guó)科大課題組一貫反對(duì)科技宣傳的浮夸風(fēng)，為澄清相關(guān)科學(xué)概念，課題組成員潘建偉和陸朝陽(yáng)主動(dòng)參加了 “知識(shí)分子” 等媒體組織的線上直播（點(diǎn)擊量超過(guò)兩百萬(wàn)），以科學(xué)積極的態(tài)度回應(yīng)公眾和經(jīng)典計(jì)算領(lǐng)域相關(guān)專(zhuān)家的爭(zhēng)議。
如上所述，量子計(jì)算機(jī)是量子力學(xué)誕生之后國(guó)際學(xué)術(shù)界形成的對(duì)計(jì)算的更深刻的定義，是被國(guó)際同行廣泛認(rèn)可的。在線上直播中，為了更好地向經(jīng)典計(jì)算領(lǐng)域的專(zhuān)家解釋相應(yīng)部件的原理，如果非要套用經(jīng)典計(jì)算機(jī)的定義，課題組成員借用了更加細(xì)化的稱(chēng)呼 “專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)”、或者和CPU（經(jīng)典計(jì)算機(jī)的核心：中央處理器）對(duì)應(yīng)的QPU（“量子處理器”）。顯然，這些說(shuō)法絲毫不削弱工作本身的重大科學(xué)意義，也不應(yīng)該被斷章取義。
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質(zhì)疑文章對(duì)部分專(zhuān)業(yè)概念的理解偏差
a) 對(duì)量子計(jì)算和玻色取樣的理解存在偏差
在多篇公眾號(hào)文章中，涂先生的一個(gè)主要觀點(diǎn)是：“九章” 解決的玻色取樣不是計(jì)算過(guò)程，因而不能顯示光量子計(jì)算的優(yōu)越性。
首先，如前所述，根據(jù)國(guó)際學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期建立的對(duì) “量子計(jì)算機(jī)” 的科學(xué)定義和廣泛使用，“九章” 毫無(wú)疑問(wèn)是光量子計(jì)算機(jī)。
其次，關(guān)于 “玻色取樣” 這一抽象問(wèn)題的理解，涂先生的主要理解偏差在于認(rèn)為它“不能求解任何事先給定的數(shù)學(xué)問(wèn)題”、“不是對(duì)任何事先給定的數(shù)學(xué)函數(shù)給定的輸入值為求輸出值而設(shè)計(jì)的。玻色采樣是相干子通過(guò)光子干涉儀的物理實(shí)驗(yàn)，輸入光子是非高斯分布，而輸出光子是高斯分布。”確實(shí)，非本專(zhuān)業(yè)的學(xué)者希望在很短時(shí)間內(nèi)理解抽象的玻色取樣參考文獻(xiàn)（包括110頁(yè)的包含大量數(shù)學(xué)推導(dǎo)的 Aaronson-Arkhipov 2013原始論文）是比較困難的。
事實(shí)上：
（1）玻色取樣是一個(gè)非常清晰定義的有輸入輸出的計(jì)算過(guò)程：給出一個(gè)事先給定的N*N的幺正矩陣，計(jì)算任務(wù)就是由經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)給出和該矩陣的積和式(Permanent)相關(guān)的輸出樣本（可參閱牛津大學(xué)課題組發(fā)表的Science 339, 798 (2013)論文的第三段）。計(jì)算積和式是一個(gè)典型的#P-hard問(wèn)題，隨問(wèn)題規(guī)模變大需要指數(shù)量級(jí)的計(jì)算時(shí)間。
（2）正因?yàn)椴Ｉ邮且粋€(gè)定義清晰的數(shù)學(xué)問(wèn)題，因此被國(guó)際學(xué)術(shù)界公認(rèn)為是用來(lái)證明量子計(jì)算優(yōu)越性的理想算法，如2017年發(fā)表在Nature 549, 203-209的文章 “量子計(jì)算優(yōu)越性”（Quantum computational supremacy）所大篇幅論述和明確指出的。
（3）涂先生對(duì)非本專(zhuān)業(yè)的量子光學(xué)概念存在一些誤解，例如，玻色取樣輸入的不是 “相干子”（否則計(jì)算過(guò)程就變得非常簡(jiǎn)單了），而是非經(jīng)典的全同單光子或者壓縮態(tài)，輸出光子也不是 “高斯分布”，而是由該矩陣積和式?jīng)Q定的一個(gè)復(fù)雜分布。
b) 涂先生和部分科學(xué)愛(ài)好者吐槽：“九章1+1=2都算不了?！?/span>
通過(guò)調(diào)節(jié)硬件設(shè)置，“九章” 很容易可以計(jì)算1+1=2，但是這無(wú)異于殺雞用牛刀。事實(shí)上，涂先生和少數(shù)網(wǎng)民指出來(lái)的是15年前領(lǐng)域的發(fā)展水平。2005年，中國(guó)科大研究組首次實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立光子之間的非破壞性控制邏輯非門(mén) CNOT（PRL 94, 030501），利用CNOT就可以實(shí)現(xiàn)加法器。2007年，在此基礎(chǔ)上，研究組演示了最簡(jiǎn)單的大數(shù)分解算法例子，把15分解為3乘以5（PRL 99, 250504），該工作被美國(guó)物理學(xué)會(huì)、《新科學(xué)家》等報(bào)道，入選了 “中國(guó)基礎(chǔ)研究十大進(jìn)展” 和 “中國(guó)高校十大科技進(jìn)展”。這些工作是國(guó)際上最早利用光子比特開(kāi)展的通用量子計(jì)算研究。但是，如新聞通稿里面路線圖指出的，這個(gè)方向還需要長(zhǎng)期努力，做到幾百萬(wàn)個(gè)高保真度量子比特才能體現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)。所以，量子計(jì)算領(lǐng)域的專(zhuān)家一直在設(shè)計(jì)更巧妙的計(jì)算路徑?！熬耪隆?就是其中一種。
量子計(jì)算研究的核心目的是，對(duì)于一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以求解的問(wèn)題，利用量子疊加和糾纏的原理，提供新型高效的解決方案。量子計(jì)算機(jī)面向的任務(wù)不是簡(jiǎn)單的加減乘除、文字輸入等，而是高復(fù)雜度的大數(shù)分解、量子化學(xué)、面向大數(shù)據(jù)的人工智能等。例如，“九章” 用來(lái)解決的是高斯玻色取樣這一和計(jì)算復(fù)雜度理論中的 “#P-hard” 相關(guān)的難題，并由此為排除 “擴(kuò)展丘奇-圖靈論題” 提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
為了更便于理解，我們舉一個(gè)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(wèn)題，汽車(chē)、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(huì)追求“大而全”而要求飛機(jī)要載人散步爬樓梯，等等。
另外，對(duì)于民科臆想的一些駁倒 “九章” 的令人啼笑皆非的點(diǎn)子，諸如用手電筒在裝滿鏡子的屋子里亂照一通來(lái)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)、用大型高爾頓板來(lái)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，感興趣的讀者可以參閱中國(guó)科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任袁嵐峰的一篇科普文章（量子計(jì)算機(jī)不是計(jì)算機(jī)？鍵盤(pán)俠們會(huì)對(duì)美國(guó)這樣說(shuō)嗎？）。
明顯地，根據(jù)嚴(yán)格計(jì)算復(fù)雜度證明、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)論證、國(guó)際評(píng)審以及廣泛的同行評(píng)價(jià)，“九章” 量子計(jì)算機(jī)在目前最好的理論框架下，明確無(wú)誤地實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性。
事實(shí)上，對(duì)于嚴(yán)肅的學(xué)術(shù)質(zhì)疑，已經(jīng)有標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際規(guī)范，如果有不同的見(jiàn)解，任何人都可以往Science 投稿一篇Comment學(xué)術(shù)論文，進(jìn)行同行評(píng)審，引起量子計(jì)算學(xué)術(shù)界的關(guān)注。例如，谷歌于2019年利用超導(dǎo)量子計(jì)算芯片 “懸鈴木” 實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的論文就曾被IBM、阿里巴巴，以及最近中科院理論物理所的同行評(píng)論，相關(guān)學(xué)術(shù)論文發(fā)布在arXiv，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C和算法創(chuàng)新極大地挑戰(zhàn)了谷歌的實(shí)驗(yàn)。到目前為止，“九章” 實(shí)驗(yàn)沒(méi)有受到正式的專(zhuān)業(yè)的小同行的嚴(yán)肅質(zhì)疑，這也使得部分國(guó)際專(zhuān)家認(rèn)為 “九章” 是目前唯一保持量子優(yōu)越性的工作。中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)非常歡迎嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的學(xué)術(shù)質(zhì)疑，正如新聞通稿寫(xiě)的：“研究人員希望這個(gè)工作能夠激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預(yù)計(jì)將來(lái)會(huì)有提升的空間。量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)并不是一個(gè)一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計(jì)算硬件之間的競(jìng)爭(zhēng)，但最終量子并行性會(huì)產(chǎn)生經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法企及的算力。”
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后記：名字重要？還是解決問(wèn)題能力重要？
最后，筆者覺(jué)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(wèn)題的能力是評(píng)價(jià)量子計(jì)算的唯一標(biāo)準(zhǔn)。”
對(duì)于廣大民眾，想要了解科學(xué)，要有科學(xué)的思維，一定要分辨清楚科學(xué)關(guān)心的是什么？對(duì)于量子計(jì)算來(lái)說(shuō)，我們關(guān)心的是有沒(méi)有超越人類(lèi)當(dāng)前操縱物質(zhì)世界的能力？能不能更高效地算清楚更多的東西？造出一個(gè)利用全新的原理允許的計(jì)算裝置，并具備超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的能力，是核心科學(xué)目標(biāo)。如果非要咬文嚼字，很多科技創(chuàng)新就會(huì)陷入被舊認(rèn)知口誅筆伐的境地。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(lái)的 “人” 的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(zhǎng)得符合普通大眾對(duì)馬達(dá)的固有印象嗎？
筆者再次感謝涂先生對(duì)我們工作的關(guān)心和對(duì)我們實(shí)驗(yàn)的高度評(píng)價(jià)。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(méi)有完全理解該實(shí)驗(yàn)涉及到的量子計(jì)算知識(shí)。
當(dāng)然，這是非常正常和普遍的現(xiàn)象。回顧科學(xué)發(fā)展史，包括量子力學(xué)在內(nèi)的許多新概念和技術(shù)在其產(chǎn)生的初期，都不被包括許多知名科學(xué)家在內(nèi)的學(xué)界和公眾理解，而往往都需要一定的時(shí)間才被逐步接受和廣泛認(rèn)可。量子信息科學(xué)從本世紀(jì)初在國(guó)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(guó)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(zhǎng)和被接受。在這個(gè)過(guò)程中，我國(guó)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(guó)際地位。我們會(huì)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(jī)回饋社會(huì)。
參考資料：
[1] Quantum computational advantage using photons；中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑
[2] 雜談｜是量子計(jì)算，還是光學(xué)實(shí)驗(yàn)？（微信公眾號(hào)“pku空間所”，2020-12-21）
[3] 對(duì)“九章-光量子計(jì)算機(jī)” 的理解 （微信公眾號(hào)“pku空間所”，2021-3-11）
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附文一：雜談｜是量子計(jì)算，還是光學(xué)實(shí)驗(yàn)？
（涂傳詒，于2020-12-21發(fā)表在公眾號(hào)“pku空間所”）
引 言
中國(guó)科技大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)于2020年12月3日在 SCIENCE 發(fā)表 First release report，H.-S. Zhong et al., Science 10.1126/science.abe8770 (2020) （附件1），發(fā)表 “高斯玻色取樣” 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有76個(gè)被探測(cè)到的光子，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了先前創(chuàng)下的有5個(gè)被測(cè)光子的紀(jì)錄。《科學(xué)》雜志審稿人認(rèn)為，此項(xiàng)成果是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”；“這個(gè)實(shí)驗(yàn)不存在爭(zhēng)論”；“這個(gè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)挑戰(zhàn)非常巨大”。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(zhǎng)Barry Sanders說(shuō)“為了獲得此結(jié)果，他們必須解決許多非常困難的技術(shù)問(wèn)題。僅僅在技術(shù)層面上，他們所取得的成就也令人印象深刻。這是人們夢(mèng)寐以求的實(shí)驗(yàn)，他們做成了，讓夢(mèng)想走進(jìn)現(xiàn)實(shí)?！?/span>（附件2，附件5）。確實(shí)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)性、實(shí)驗(yàn)解決的問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)技術(shù)的挑戰(zhàn)，沒(méi)有爭(zhēng)論。
但是，人們對(duì)《科學(xué)》文章報(bào)道的內(nèi)容，是物理實(shí)驗(yàn)還是量子計(jì)算，有不同看法。SCIENCE 文章（附件1）的標(biāo)題是“Quantum computational advantage using photons ”（用光子進(jìn)行量子計(jì)算的優(yōu)越性）。由此標(biāo)題可看出，該文認(rèn)為其用光子做的實(shí)驗(yàn)就是量子計(jì)算， 比起當(dāng)代超級(jí)計(jì)算機(jī)有優(yōu)越性。該文導(dǎo)致出現(xiàn)如下有很大爭(zhēng)議的評(píng)價(jià)：九章量子計(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍；“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一億年；等效速度比去年谷歌發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。對(duì)此，人們提出如下的概念性的或者是邏輯性的問(wèn)題（附件3）：SCIENCE 文章模擬“高斯玻色取樣”的過(guò)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(jí)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？討論這些問(wèn)題不涉及學(xué)術(shù)，但是這是一個(gè)社會(huì)關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題，討論這一問(wèn)題，對(duì)于厘清相關(guān)名詞和語(yǔ)言的概念是重要的，對(duì)于準(zhǔn)確描述相關(guān)科技現(xiàn)狀是重要的，對(duì)于公眾的理解是重要的。本文將詳細(xì)討論這些問(wèn)題。
本文結(jié)論是，該SCIENCE 文章，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(wú)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。
本文分段如下：
2. SCIENCE 文章內(nèi)容的科普理解；
3. SCIENCE 文章描述的過(guò)程是物理實(shí)驗(yàn)還是量子計(jì)算？該裝置是光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備還是是量子計(jì)算機(jī)？
4. 實(shí)驗(yàn)獲得結(jié)果的速度與超級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的速度比較有沒(méi)有意義？5.結(jié)論。
SCIENCE 文章內(nèi)容的科普理解
我們先簡(jiǎn)單科普一下 “玻色取樣” 問(wèn)題。
所謂 “玻色取樣” 問(wèn)題，可以解釋成一個(gè)量子世界的高爾頓板。這個(gè)問(wèn)題的模型如圖1所示，小球從最上方被扔下，每經(jīng)過(guò)一個(gè)釘板，都有一半的可能從左邊走，一半的可能從右邊走，當(dāng)有很多個(gè)小球從上往下隨機(jī)掉落時(shí)，落在下面的格子里的小球數(shù)量分布上會(huì)呈現(xiàn)一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律（高斯分布）。
圖1，高爾頓板問(wèn)題。左圖，原理；右圖，真實(shí)實(shí)驗(yàn)的照片。
下圖顯示 “玻色取樣” 的基本概念：當(dāng)n個(gè)全同玻色子經(jīng)過(guò)一個(gè)干涉儀（線性變換器）之后，求特定分布的輸出概率。這就是一種量子版的 “高爾頓板” 問(wèn)題。就像圖二展示的那樣，小球變成了光子，釘板變成了分束器，若干個(gè)光子進(jìn)入網(wǎng)格之后，經(jīng)過(guò)分束器組成的干涉儀，最終分別在哪些出口被探測(cè)到，記錄下來(lái)，就是一個(gè)采樣。積累之后，光子數(shù)也會(huì)有一個(gè)分布。每一種采樣結(jié)果都對(duì)應(yīng)一個(gè)概率。全部可能的采樣結(jié)果就構(gòu)成輸出態(tài)的態(tài)空間。見(jiàn)下圖， 左圖示出原理， 右圖示出九章實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
圖2：左圖，“九章”實(shí)驗(yàn)的原理圖，光子干涉網(wǎng)絡(luò)和結(jié)果分布的示意圖。右圖，最終探測(cè)到的光子數(shù)分布。這高斯分布橫軸最高的數(shù)目是76個(gè)光子。
與利用硅處理器構(gòu)建的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，“九章” 機(jī)器（該文稱(chēng)他們的高斯取樣裝置為九章機(jī)器）是一個(gè)由激光器、反射鏡、棱鏡、分束器和光子探測(cè)器組成的精密桌面裝置， 見(jiàn)下圖。
圖3：“九章”量子計(jì)算原型機(jī)光路系統(tǒng)原理圖（上圖）：左上方激光系統(tǒng)產(chǎn)生高峰值功率飛秒脈沖；左方25個(gè)光源通過(guò)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生50路單模壓縮態(tài)輸入到右方100模式光量子干涉網(wǎng)絡(luò);最后利用100個(gè)高效率超導(dǎo)單光子探測(cè)器對(duì)干涉儀輸出光量子態(tài)進(jìn)行探測(cè) 制圖：陸朝陽(yáng) 彭禮超。下圖是實(shí)際裝置的照片。
《科學(xué)美國(guó)人》月刊網(wǎng)站12月3日?qǐng)?bào)道給出如下描述（附件4），“九章” 的運(yùn)行從一束激光開(kāi)始，這束激光被分成若干束，去打擊25個(gè)由磷酸氧鈦鉀制成的晶體。每一個(gè)晶體被擊中后，它會(huì)可靠地向兩個(gè)相反方向吐出光子。然后這些光子被送入光量子干涉網(wǎng)絡(luò)的100個(gè)輸入端，在那里它們快速穿過(guò)一條由300個(gè)棱鏡和75面反射鏡組成的路徑。最后，這些光子落在100條狹縫中，并在那里被探測(cè)到。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的平均時(shí)間為200多秒，中科大團(tuán)隊(duì)在每次運(yùn)行中平均探測(cè)到大約43個(gè)光子。但在有一次運(yùn)行中，他們觀測(cè)到76個(gè)光子”。
是物理實(shí)驗(yàn)還是量子計(jì)算？
要評(píng)析該文章的結(jié)論，我們首先要搞清楚兩個(gè)核心問(wèn)題，這篇SCIENCE 文章中描述的過(guò)程，究竟是物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程，還是是量子計(jì)算過(guò)程？相應(yīng)裝置是光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還是量子計(jì)算機(jī)？
物理實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)計(jì)算的區(qū)別是：在物理實(shí)驗(yàn)中，在初條件給定后，各個(gè)中間物理過(guò)程以及結(jié)果都是真實(shí)自然發(fā)生的。而在計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算中，這些中間過(guò)程都是利用對(duì)相應(yīng)的物理定律的數(shù)學(xué)描述，用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出來(lái)。這種計(jì)算，需要給出中間過(guò)程某一時(shí)刻的所有有關(guān)數(shù)據(jù)，才能計(jì)算下一時(shí)刻的狀態(tài)。由于對(duì)于相應(yīng)物理規(guī)律認(rèn)識(shí)的局限性，又由于計(jì)算機(jī)條件的限制，數(shù)值模擬計(jì)算很難精確再現(xiàn)自然。例如兩個(gè)真實(shí)的小球相碰的實(shí)驗(yàn)。給定兩個(gè)小球的初速度，碰撞后自然彈開(kāi)，可以測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩個(gè)球的末速度。但是在數(shù)字計(jì)算過(guò)程中，需要計(jì)算小球的質(zhì)量、入射角度、速度、小球表面弧度、硬度，碰撞時(shí)表面的壓縮過(guò)程等等，然后才能計(jì)算出小球碰后的狀態(tài)。
我們看到，兩者的差別是明顯的。物理實(shí)驗(yàn)是真實(shí)發(fā)生的物理過(guò)程，而計(jì)算機(jī)的模擬計(jì)算是根據(jù)相應(yīng)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)描述通過(guò)計(jì)算再現(xiàn)相應(yīng)物理過(guò)程。再精確的數(shù)值模擬結(jié)果，都不是客觀真實(shí)發(fā)生的。
SCIENCE 文章報(bào)道的 “高斯玻色取樣”（Gaussian boson sampling）的物理實(shí)驗(yàn)中，各個(gè)中間過(guò)程中，都是真實(shí)發(fā)生的物理過(guò)程，這些物理過(guò)程都是 “玻色取樣” 要求的。最后模擬的結(jié)果（見(jiàn)圖2右圖的分布）是真實(shí)物理過(guò)程的統(tǒng)計(jì)。整個(gè)過(guò)程沒(méi)有引入任何基于物理規(guī)律的計(jì)算。這顯然是一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程，而不是任何計(jì)算過(guò)程。用真實(shí)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了 “高斯玻色取樣” 問(wèn)題的要求，實(shí)驗(yàn)直接給出了結(jié)果，沒(méi)有任何常規(guī)和量子的計(jì)算介入。這一光學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以看做是光量子模擬實(shí)驗(yàn)，與量子計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬計(jì)算沒(méi)有任何關(guān)系。
量子計(jì)算與量子模擬的區(qū)別早有明確的定義，見(jiàn)附件7第九段。該文定義，“量子計(jì)算機(jī)的功能是數(shù)值量子模擬裝置（“digital” quantum simulator），而模擬量子模擬裝置（“analog” quantum simulators）是一個(gè)可定制的系統(tǒng)?！?“一個(gè)通用的量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該有高度的適應(yīng)性，能夠有效模擬任意合理的物理系統(tǒng)，而模擬量子模擬裝置有內(nèi)在的限制”。后者應(yīng)該是專(zhuān)用的。九章機(jī)器是量子模擬器，而不應(yīng)該叫做量子計(jì)算機(jī)。但是，有時(shí)，人們稱(chēng)呼顯示某些給出數(shù)學(xué)問(wèn)題的解的量子模擬裝置為 “計(jì)算機(jī)”，但是這只是一種約定俗稱(chēng)的稱(chēng)呼。例如，圖1右圖顯示了真實(shí)的很多黃色小球放入高爾頓板導(dǎo)致的分布，這是這是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，而不是計(jì)算出來(lái)的。然而，附件6 ，F(xiàn)igure1（就是本文圖1，高爾頓板問(wèn)題的左圖）的說(shuō)明，稱(chēng)高爾頓通板就是一個(gè)簡(jiǎn)單的 “計(jì)算機(jī)”。
注意， 這里是帶引號(hào)的計(jì)算機(jī)，應(yīng)該是一種非正式的稱(chēng)呼，需要明確表示出來(lái)，不然，就混淆了數(shù)值計(jì)算機(jī)與模擬裝置的概念。雖然模擬給出了數(shù)學(xué)問(wèn)題的解， 但是沒(méi)有計(jì)算功能的裝置，不能稱(chēng)為計(jì)算機(jī)。
實(shí)際上SCIENCE 文章正文明確認(rèn)為他們所做的是實(shí)驗(yàn)，而不是計(jì)算。該文用下面的句子開(kāi)始描述 “九章” 機(jī)器，“We name our GBS machine Jiuzhang. We start describing the experimental results from……”，（我們把我們的GBS機(jī)器名為 “九章”， 我們從……開(kāi)始描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果）。這表明，“九章” 機(jī)器是用來(lái)做實(shí)驗(yàn)的。該文也明確表明他們的結(jié)果是“實(shí)驗(yàn)結(jié)果”（experimental result）；“實(shí)驗(yàn)確認(rèn)” （Experimental validation）的結(jié)果。例如， Fig3 的說(shuō)明：
圖4， SCIENCE 文章中Fig. 3的說(shuō)明。4次用“實(shí)驗(yàn)”來(lái)描述他們的結(jié)果。
該SCIENCE 文章的這些描述，與人們的理解是完全一致的。在SCIENCE 文章描述的 “高斯玻色取樣” 的實(shí)驗(yàn)中，光子經(jīng)歷的都是實(shí)際的物理過(guò)程-光子干涉，沒(méi)有任何計(jì)算結(jié)果介入。在任何意義上說(shuō)，測(cè)到的76個(gè)光子都是真實(shí)存在的，不是計(jì)算出來(lái)的。這套設(shè)備可以說(shuō)是“玻色取樣”專(zhuān)用物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M機(jī)，絕對(duì)不是量子計(jì)算機(jī)。
但是，該SCIENCE 文章出現(xiàn)了自相矛盾的觀點(diǎn)。 雖然該文認(rèn)為所獲得的結(jié)果都是實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果，但是該文標(biāo)題是“用光子進(jìn)行量子計(jì)算的優(yōu)越性”。該文摘要強(qiáng)調(diào)，該文設(shè)備是光子量子計(jì)算機(jī)，該文結(jié)果是這臺(tái)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的。該文摘要指出：“The photonic quantum computer generates up to 76 output photon clicks”，（這臺(tái)光子量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生了最多76個(gè)輸出光子）。這里， 人們不理解， 既然這76個(gè)光子是觀測(cè)到的真實(shí)的光子，他們?cè)趺纯赡芡ㄟ^(guò)量子計(jì)算產(chǎn)生？
圖5. SCIENCE 文章的標(biāo)題和摘要
人們不明白，“The photonic quantum computer”（這臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)）的含義。摘要中出現(xiàn)的這一名詞是全文唯一的出現(xiàn)。該文對(duì)于這一名詞沒(méi)有任何解釋。該文以這樣一個(gè)定冠詞 “The” 開(kāi)頭的詞組（這光量子計(jì)算機(jī)）來(lái) “定義” 這一套光學(xué)設(shè)備就是量子計(jì)算機(jī)，不符合人們通常的語(yǔ)言表達(dá)邏輯，或者說(shuō)不符合語(yǔ)法。通常在 “The” 開(kāi)頭的詞組出現(xiàn)之前，需要有說(shuō)明或者定義。這里需要說(shuō)明，量子計(jì)算機(jī)的概念和定義，現(xiàn)有的設(shè)備符合這一定義的要求，因而說(shuō)這些設(shè)備是量子計(jì)算機(jī)。該文沒(méi)有任何說(shuō)明，武斷給出這光量子計(jì)算機(jī)一詞。根據(jù)這一不符合邏輯的 “定義”，“九章” 機(jī)器就是 “九章” 量子計(jì)算機(jī)了，“高斯玻色取樣”的實(shí)驗(yàn)就是量子計(jì)算了。違規(guī)使用這個(gè)定冠詞就把 “實(shí)驗(yàn)” 與 “計(jì)算” 混淆起來(lái)了。科學(xué)家可以造出普通人不懂的新詞匯，但是科學(xué)家不能改變通常語(yǔ)言的習(xí)慣和含義。
什么是 “實(shí)驗(yàn)”，什么是 “計(jì)算”， 人們有著通常的理解，沒(méi)有 “計(jì)算” 功能的機(jī)器就不能說(shuō)是 “計(jì)算機(jī)”。當(dāng)然， 將來(lái)的量子計(jì)算機(jī)，可能將是由一套光學(xué)設(shè)備組成， 由光子在復(fù)雜光路中運(yùn)行來(lái)完成計(jì)算任務(wù)。但是光子在計(jì)算機(jī)中所經(jīng)歷的物理過(guò)程應(yīng)該與計(jì)算任務(wù)要描述的物理過(guò)程沒(méi)有關(guān)聯(lián)。也就是說(shuō)，計(jì)算機(jī)是通過(guò)計(jì)算來(lái)求得解答的，而不是通過(guò)直接的實(shí)驗(yàn)來(lái)求得解答，后者是專(zhuān)門(mén)物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而不是計(jì)算機(jī)。就像電子在電子計(jì)算機(jī)半導(dǎo)體器件中經(jīng)歷的物理過(guò)程與計(jì)算機(jī)計(jì)算的課題沒(méi)有關(guān)聯(lián)一樣。如果給的計(jì)算任務(wù)是模擬計(jì)算雞蛋的生成過(guò)程，不能找一個(gè)雞下個(gè)蛋就算是解答問(wèn)題了，更不能定義這母雞下蛋過(guò)程就是計(jì)算過(guò)程，不能定義這母雞就是計(jì)算機(jī)。
與超級(jí)計(jì)算機(jī)速度的比較有意義嗎？
既然SCIENCE 文章獲得的結(jié)果來(lái)自于實(shí)驗(yàn)，那么將實(shí)驗(yàn)獲得結(jié)果的速度與超級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的速度比較有沒(méi)有意義？
該SCIENCE 文章在摘要中強(qiáng)調(diào)“這電子計(jì)算機(jī)給出的采樣率比頂尖水準(zhǔn)的模擬方法和超級(jí)計(jì)算機(jī)要快10^14 倍”（The photonic quantum computer…… a sampling rate that is ~10^14 faster than using the state-of-the-art simulation strategy and supercomputers）。下圖是該文給出的對(duì)于輸出不同數(shù)目的光子的實(shí)驗(yàn)的比較結(jié)果。但事實(shí)上，這一速度的比較是沒(méi)有意義的。
圖6，“九章”相對(duì)于太湖之光的優(yōu)勢(shì)比較根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”花200秒采集到的5000個(gè)樣本，如果用我國(guó)的“太湖之光”，需要運(yùn)行25億年，如果用目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”，也需要6億年。這樣的優(yōu)勢(shì)十分明顯。我們可以等效地對(duì)比去年谷歌發(fā)布的53比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”：對(duì)于“懸鈴木”來(lái)說(shuō)，200秒完成的任務(wù)，超算Summit需要2天，考慮Summit和富岳的算力差距，“九章”等效地 比“懸鈴木”快100億倍。
從一般邏輯思維來(lái)看，人們只能在相同的計(jì)算任務(wù)的情況下，才能比較兩個(gè)計(jì)算機(jī)的計(jì)算快慢。通常要比較兩輛汽車(chē)速度的快慢，他們必須跑相同的路線。所謂量子計(jì)算的計(jì)算能力超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，是指對(duì)于明確給出的數(shù)據(jù)、和清晰的計(jì)算過(guò)程的計(jì)算的比較。像玻色取樣的實(shí)驗(yàn)不是適合比較的課題，因?yàn)槠渲虚g過(guò)程中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的光信號(hào)的變化，都是自然干涉的結(jié)果，都是客觀物理過(guò)程。而數(shù)字計(jì)算機(jī)需要根據(jù)物理規(guī)律計(jì)算來(lái)描述這些物理反應(yīng)的過(guò)程，因而費(fèi)時(shí)而且難以得到精確結(jié)果。“九章” 機(jī)器通過(guò)物理過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的速度，是物理模擬實(shí)驗(yàn)的速度，不能與任何計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的速度比較（附件3）。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬很快發(fā)生的真實(shí)的物理過(guò)程需要很長(zhǎng)的時(shí)間，是一個(gè)大家都知道的普遍現(xiàn)象。例如，模擬核彈爆炸，超級(jí)計(jì)算機(jī)要計(jì)算很長(zhǎng)時(shí)間，但是真正的核彈爆炸生成爆炸參數(shù)就那么一瞬間。比較核彈爆炸時(shí)間與用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬所需要的時(shí)間沒(méi)有意義。兩者不是同類(lèi)事物。
SCIENCE 文章的這種比較，沒(méi)有意義。因?yàn)?em>SCIENCE 文章所描述的設(shè)備（九章機(jī)器）不是量子計(jì)算機(jī)，既不能存儲(chǔ)也不能計(jì)算。那是一臺(tái)“玻色取樣”專(zhuān)用光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M設(shè)備。把光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，與超級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬速度比較，是沒(méi)有意義的。別說(shuō)快多少倍， 就算一比一的時(shí)間，或者不計(jì)時(shí)間，九章機(jī)器也完成不了目前超級(jí)計(jì)算機(jī)甚至一般計(jì)算機(jī)所能完成的最簡(jiǎn)單的計(jì)算任務(wù)。不是九章機(jī)器沒(méi)有能力， 只是這種比較是沒(méi)有意義。
Aaronson and Arkhipov (2011) （見(jiàn)附件6）提出 “波色采樣” 的任務(wù)。該文提出要尋找一個(gè)量子系統(tǒng)，比通用量子計(jì)算機(jī)更接近實(shí)驗(yàn)實(shí)際的量子系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)很難被經(jīng)典模擬描述。該文提出了一個(gè)關(guān)于光子產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。該文證明， 該模型描述的正是這樣一個(gè)系統(tǒng)。對(duì)于該系統(tǒng)（模型）即使近似和粗略的經(jīng)典模擬都會(huì)瓦解。這樣就能顯示量子世界的復(fù)雜性。但是，該文給出的只是一個(gè)理論，不需要量子光學(xué)知識(shí)。該SCIENCE 文章的實(shí)驗(yàn)，在前人實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，更好的實(shí)現(xiàn)了Aaronson, and Arkhipov (2011) 提出的 “玻色取樣” 量子模擬系統(tǒng)。雖然不是量子計(jì)算機(jī)，但是根據(jù)Aaronson, and Arkhipov (2011) 的證明，實(shí)現(xiàn)了 “玻色取樣”，就表明量子系統(tǒng)的復(fù)雜性不是經(jīng)典系統(tǒng)能夠模擬的。潘建偉團(tuán)隊(duì)的設(shè)備雖然不是通用量子計(jì)算機(jī)，但是能夠顯示量子系統(tǒng)的復(fù)雜性，這使得學(xué)術(shù)界是在認(rèn)識(shí)上前進(jìn)一步。
結(jié) 論
Zhong et al., Science 10.1126/science. abe8770 (2020) 報(bào)告了一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，人們 夢(mèng)寐以求的實(shí)驗(yàn)，和技術(shù)挑戰(zhàn)非常巨大的實(shí)驗(yàn)。但是該文的表述，混淆了 “實(shí)驗(yàn)” 與 “計(jì)算” 的概念，該文提出的看法：“其用光子做的實(shí)驗(yàn)就是量子計(jì)算， 比起當(dāng)代超級(jí)計(jì)算機(jī)有優(yōu)越性”， 引起爭(zhēng)議。本文認(rèn)為其光學(xué)實(shí)驗(yàn)與量子計(jì)算無(wú)關(guān)，其實(shí)驗(yàn)設(shè)備不是量子計(jì)算機(jī)，不能與電子計(jì)算機(jī)比較， 不能顯示量子計(jì)算的優(yōu)越性（霸權(quán)）。
附文二：對(duì)“九章-光量子計(jì)算機(jī)” 的理解
（涂傳詒，于2021-3-11發(fā)表在公眾號(hào)“pku空間所”）
潘建偉團(tuán)隊(duì)的SCIENCE 文章將其構(gòu)建的 “玻色采樣” 實(shí)驗(yàn)設(shè)備說(shuō)成是 “光量子計(jì)算機(jī)”，并稱(chēng)為 “九章” 機(jī)器。雖然，該文作者之后通過(guò)網(wǎng)上直播講座聲明說(shuō)九章是 “專(zhuān)用量子模擬機(jī)” 或是 “量子硬件處理器”，但是該SCIENCE 文章，仍然在公眾中造成嚴(yán)重誤導(dǎo)。
人們顧名思義把 “光量子計(jì)算機(jī)” 理解為是一臺(tái)通用量子計(jì)算機(jī)，認(rèn)定中國(guó)取得 “量子計(jì)算機(jī)《九章》” 研制成功的重大科研成果，并顯示了量子計(jì)算的優(yōu)越性。人們有理由相信該SCIENCE 文章是有道理的。因?yàn)樵撐氖墙?jīng)過(guò)嚴(yán)格評(píng)審的，其評(píng)審人就是七年前提出 “玻色采樣” 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的文章的作者，Scott Aaronson。
本人通過(guò)分析該審稿人的文章指出，該文產(chǎn)生的誤導(dǎo)不符合審稿人的本意。因?yàn)樗吣昵暗奈恼戮兔鞔_指出，“玻色采樣” 實(shí)驗(yàn)沒(méi)有通用量子計(jì)算機(jī)的功能，而且 “玻色采樣” 的目的不是為了數(shù)學(xué)計(jì)算。本文首先討論了 “計(jì)算機(jī)”、“計(jì)算” 和 “模擬” 等概念的界定，然后根據(jù)這些概念的界定，討論概念的混淆和誤導(dǎo)是如何發(fā)生的。從任何角度說(shuō)，玻色采樣實(shí)驗(yàn)都不是計(jì)算過(guò)程，也不是模擬過(guò)程，與量子計(jì)算也沒(méi)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(méi)有任何關(guān)聯(lián)。
在撰寫(xiě)這篇評(píng)論過(guò)程中，作者咨詢過(guò)多位專(zhuān)家，并與該文作者通過(guò)電子郵件進(jìn)行了有益的討論，在此聲明并表示感謝！
計(jì)算機(jī)、計(jì)算和模擬等概念的界定
判斷九章機(jī)器是不是量子計(jì)算機(jī)的問(wèn)題，與 “計(jì)算機(jī)” 的定義有關(guān)。要討論玻色采樣實(shí)驗(yàn)是不是顯示了量子計(jì)算的優(yōu)越性，需要了解什么是 “計(jì)算”。對(duì)于 “計(jì)算機(jī)”、“計(jì)算” 和 “模擬” 這些概念，沒(méi)有公認(rèn)的明確嚴(yán)格的定義來(lái)界定。通常不同學(xué)科和不同個(gè)人的看法和用法都會(huì)有不同。人們沒(méi)有必要過(guò)分局限于名詞本身，要把注意力放在具體用詞的內(nèi)涵，避免由于沒(méi)有公認(rèn)的定義而引起概念的混淆。在第二段，我們將表明，該SCIENCE 文章導(dǎo)致的的誤導(dǎo)正是由于這些概念的混淆。
什么是計(jì)算機(jī)
1. 廣義的定義。
什么是計(jì)算機(jī)，這沒(méi)有公認(rèn)的定義。一種寬泛的定義是，有計(jì)算功能的機(jī)器就是計(jì)算機(jī)，或者說(shuō)能完成計(jì)算任務(wù)的機(jī)器就是計(jì)算機(jī)。那么算盤(pán)和計(jì)算尺都是計(jì)算機(jī)。手搖計(jì)算器，專(zhuān)用模擬器都是計(jì)算機(jī)。收音機(jī)的功率放大部件，以及加法器，乘法器等都是計(jì)算機(jī)。通用計(jì)算機(jī)可通過(guò)編程計(jì)算各種問(wèn)題，但是對(duì)有的課題，需要很長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間。而模擬器是針對(duì)特殊問(wèn)題設(shè)計(jì)的，可以在很短時(shí)間得到答案。兩者都是計(jì)算機(jī)。這是廣義的計(jì)算機(jī)的定義。這種定義，可能是從計(jì)算機(jī)學(xué)科劃分的角度來(lái)看的。
2. 狹隘的定義。
能夠求解有解析表達(dá)式和沒(méi)有解析表達(dá)式的各類(lèi)復(fù)雜的函數(shù)問(wèn)題的機(jī)器叫計(jì)算機(jī)，而只能求解單一計(jì)算問(wèn)題的機(jī)器叫計(jì)算器，或者叫專(zhuān)用計(jì)算機(jī)。這一定義，把模擬器排除在計(jì)算機(jī)的定義之外，突出了計(jì)算機(jī)通用的特點(diǎn)。在名稱(chēng)上，有計(jì)算機(jī)功能專(zhuān)用定語(yǔ)的計(jì)算機(jī)是專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，而沒(méi)有專(zhuān)用定語(yǔ)的計(jì)算機(jī)是通用計(jì)算機(jī)。這一定義也與 Preskill（2012）的定義是一致的。該文定義，“量子計(jì)算機(jī)的功能是數(shù)值量子仿真器（“digital” quantum simulator），而相似量子仿真器（“analog”quantum simulators）是一個(gè)可定制的系統(tǒng)”?！耙粋€(gè)通用的量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該有高度的適應(yīng)性，能夠有效模擬任意合理的物理系統(tǒng)，而相似量子模擬裝置有內(nèi)在的限制”。該定義表明，量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該是通用數(shù)值計(jì)算機(jī)。
3. 作為商品名稱(chēng)的定義。
計(jì)算工具的使用，不是限制在計(jì)算專(zhuān)家的學(xué)術(shù)范圍，各行各業(yè)都使用不同類(lèi)型的計(jì)算工具。公眾使用的計(jì)算工具是通過(guò)商業(yè)渠道購(gòu)買(mǎi)到的，這使得公眾對(duì)計(jì)算工具的名稱(chēng)的認(rèn)知受到商品名的影響。商家希望通過(guò)商品的名稱(chēng)表達(dá)商品的功能和復(fù)雜程度。商家不把算盤(pán)和計(jì)算尺稱(chēng)為計(jì)算機(jī)。他們稱(chēng)作為電子計(jì)算機(jī)的都是通用的能編程的。我們用的筆記本電腦的商品名稱(chēng)是便攜計(jì)算機(jī)（computer）。而我們用來(lái)計(jì)算加減的計(jì)算工具的商品名稱(chēng)是計(jì)算器（calculator）。公眾在實(shí)際生活中接受了對(duì)計(jì)算工具稱(chēng)呼的這種理解。
計(jì)算機(jī)與物理實(shí)驗(yàn)的關(guān)系
計(jì)算機(jī)計(jì)算與物理實(shí)驗(yàn)之間有下面5層關(guān)系：
● 物理的系統(tǒng)。一個(gè)物理系統(tǒng)的行為就是它如何基于物理的輸入產(chǎn)生物理的輸出（或者叫 “響應(yīng)”），中間過(guò)程應(yīng)該是不能調(diào)控的。
● 物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)刻畫(huà)。這需要對(duì)輸入和輸出的形態(tài)都做數(shù)學(xué)描述（比如表達(dá)成數(shù)字、向量、字符等）同時(shí)對(duì)它的中間過(guò)程行為做數(shù)學(xué)描述（比如用微分方程，概率函數(shù)等）。
● 計(jì)算問(wèn)題, 完成數(shù)學(xué)刻畫(huà)之后，我們便得到了一個(gè)關(guān)于函數(shù)f的計(jì)算問(wèn)題，即對(duì)任何（數(shù)學(xué)意義上的）輸入，通過(guò)計(jì)算中間過(guò)程，求函數(shù)f（在數(shù)學(xué)意義上）的輸出。
● 計(jì)算模型。計(jì)算模型是通過(guò)設(shè)計(jì)算法（或程序）解決關(guān)于f 的計(jì)算問(wèn)題。這是獨(dú)立于物理世界的，它是存在于數(shù)學(xué)和邏輯層面的構(gòu)造。簡(jiǎn)單的說(shuō)，一個(gè)計(jì)算模型要說(shuō)明哪些基本操作是允許的；每個(gè)基本操作的時(shí)間代價(jià)。
● 計(jì)算模型的物理實(shí)現(xiàn)就是計(jì)算機(jī)。給定一個(gè)計(jì)算模型，我們希望此模型可以被物理器件實(shí)現(xiàn)。
第（2）和（3）是數(shù)學(xué)層面的，而（4）和（5）是計(jì)算機(jī)層面的。由于多方面的原因，這5個(gè)層面的描述的精度，由（1）至（5）是逐步下降的?！安Ｉ蓸印?，是（1）描述的物理系統(tǒng)，不是（2）和（3）描述的計(jì)算問(wèn)題， 更不是（4）和（5）描述的計(jì)算機(jī)計(jì)算。
計(jì)算機(jī)模擬物理實(shí)驗(yàn)是通過(guò)這5個(gè)層面實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算機(jī)不可能不通過(guò)（2）至（4）步，直接描述物理過(guò)程。計(jì)算機(jī)描述的是物理過(guò)程的數(shù)學(xué)刻畫(huà)。 如果，物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)刻畫(huà)發(fā)生問(wèn)題，或者沒(méi)有數(shù)學(xué)刻畫(huà)，計(jì)算機(jī)就無(wú)法模擬物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程。（該SCIENCE 文章第一句話說(shuō) “圖靈機(jī)可以有效模擬實(shí)際物理器件上的任意過(guò)程”。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這句話是不適當(dāng)?shù)摹ＤM的不是物理過(guò)程本身而是其數(shù)學(xué)刻畫(huà)）
什么是計(jì)算？
在傳統(tǒng)意義上，一個(gè)計(jì)算問(wèn)題是用一個(gè)函數(shù) f 來(lái)描述的，就是對(duì)此函數(shù)的任意輸入x，求它的輸出 f(x). 只要此函數(shù)f給定了，關(guān)于它的計(jì)算問(wèn)題就給定了。這里的系統(tǒng) f 并不是指物理世界中的系統(tǒng)，而是指一個(gè)數(shù)學(xué)描述。這個(gè)數(shù)學(xué)描述可以是對(duì)物理世界中某個(gè)（隨機(jī)或確定）系統(tǒng)的數(shù)學(xué)刻畫(huà)，也可以是完全人為的數(shù)學(xué)構(gòu)造，不對(duì)應(yīng)于物理世界。
對(duì) “計(jì)算過(guò)程” 沒(méi)有嚴(yán)格的公認(rèn)的定義?！坝?jì)算過(guò)程” 可以描述如下：
計(jì)算的起點(diǎn)是計(jì)算問(wèn)題f，終點(diǎn)是對(duì)一個(gè)輸入 x得到 f(x). 這里從起點(diǎn)到終點(diǎn)需要兩個(gè)步驟：
A）設(shè)計(jì)程序 g
B）給程序g 賦予輸入 x，并收集程序的輸出 f(x)
介于起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的過(guò)程是計(jì)算過(guò)程。
1. 廣義計(jì)算過(guò)程：“計(jì)算過(guò)程”可以定義為執(zhí)行 （A）和 （B）兩個(gè)步驟。
2. 狹義計(jì)算過(guò)程：僅僅執(zhí)行步驟（B）。如果用“狹義計(jì)算過(guò)程”來(lái)定義計(jì)算過(guò)程，那么步驟（A）可以理解為計(jì)算的“準(zhǔn)備過(guò)程”。
擴(kuò)大的 “計(jì)算” 概念。Aaronson?,and Arkhipov（2013）《3》的文章提出 “如果我們將計(jì)算問(wèn)題的概念擴(kuò)大到包括采樣和搜索問(wèn)題，那么情況就完全不同了”。根據(jù)這一擴(kuò)大的概念，計(jì)算就是 “采樣” 本身，似乎不需要完成由另外的數(shù)學(xué)函數(shù)給定的計(jì)算任務(wù)。玻色采樣設(shè)備就是玻色采樣計(jì)算機(jī)。這種擴(kuò)大的計(jì)算的概念非常容易與通常的函數(shù) “計(jì)算” 的概念混淆。在第二部分我們會(huì)進(jìn)一步討論這一問(wèn)題。
依據(jù)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊衲M計(jì)算？
下面我們給一個(gè)模擬計(jì)算的事例-地圖著色的DNA方法。地圖著色問(wèn)題主要研究如何將地圖中的國(guó)家區(qū)域用給定數(shù)目的顏色涂染，使得相鄰區(qū)域有不同的顏色。對(duì)于地圖上國(guó)家數(shù)目比較多的情況，用超大計(jì)算機(jī)計(jì)算，是很費(fèi)機(jī)時(shí)的。DNA方法，是把地圖著色的不同區(qū)域映射成DNA分子鏈，利用DNA特殊的雙螺旋結(jié)構(gòu)和堿基互補(bǔ)配對(duì)原則對(duì)其進(jìn)行編碼，在DNA溶液的試管里，在生物酶的作用下，生成各種數(shù)據(jù)庫(kù)，然后按照約定規(guī)則將原始的數(shù)學(xué)運(yùn)算高度并行地映射成DNA分子鏈的可控的生化過(guò)程。
從數(shù)學(xué)家看角度看，這生化過(guò)程能得到他們的地圖著色的數(shù)學(xué)解，因而試管中的過(guò)程是一種計(jì)算過(guò)程。但是從生化學(xué)家角度來(lái)看，那是DNA分子鏈的形成過(guò)程，那是生化反應(yīng)。DNA計(jì)算目前僅僅限于個(gè)別幾個(gè)例子。我們給出這一事例，說(shuō)明人們利用物理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助求解數(shù)學(xué)問(wèn)題的范式。
該SCIENCE 文章的的誤導(dǎo)之一：把玻色取樣物理試驗(yàn)結(jié)果誤導(dǎo)成顯示光量子計(jì)算的優(yōu)越性
該SCIENCE 文章確實(shí)描述了相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覀兣瓮丫玫摹⒂幸饬x的和技術(shù)難度極大的玻色取樣試驗(yàn)。但是該文標(biāo)題是 “使用光子的量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)”, 摘要中指出采樣速率比使用最先進(jìn)的模擬策略和超級(jí)計(jì)算機(jī)快~10^14倍。這樣，合在一起，明顯給讀者以誤導(dǎo)。
下面我們將論證玻色采樣實(shí)驗(yàn)不是量子計(jì)算過(guò)程，也不是模擬過(guò)程，不完成計(jì)算任務(wù)，量子計(jì)算優(yōu)越性的結(jié)論是計(jì)算概念混淆的結(jié)果。
不是計(jì)算過(guò)程
根據(jù)第一部分的關(guān)于計(jì)算過(guò)程的定義，“玻色采樣” 不是計(jì)算過(guò)程。因?yàn)?，該?shí)驗(yàn)不是對(duì)任何事先給定的數(shù)學(xué)函數(shù)給定的輸入值為求輸出值而設(shè)計(jì)的?！安Ｉ蓸印笔窍喔勺油ㄟ^(guò)光子干涉儀的物理實(shí)驗(yàn)，輸入光子是非高斯分佈，而輸出光子是高斯分布。對(duì)這一物理過(guò)程的數(shù)學(xué)刻畫(huà)得到的數(shù)學(xué)函數(shù)，實(shí)際上不能被超大計(jì)算機(jī)計(jì)算求解，因?yàn)樗璧臋C(jī)時(shí)是天文數(shù)字。而物理實(shí)驗(yàn)用極短的時(shí)間（200秒）就出結(jié)果。該SCIENCE 文認(rèn)為，這 “玻色采樣” 的物理過(guò)程可以看做是其數(shù)學(xué)刻畫(huà)所得函數(shù)的模擬過(guò)程。該文的這一說(shuō)法的邏輯本末倒置了。如果是數(shù)學(xué)模擬，需要事先給定要解決的計(jì)算問(wèn)題和要計(jì)算的函數(shù)，并且要給出確定的答案。但是該SCIENCE 文章，并沒(méi)有給出這些描述。
不是模擬實(shí)驗(yàn)
我們?cè)诘谝徊糠纸榻B的地圖著色的DNA方法，是通過(guò)生化實(shí)驗(yàn)來(lái)求解地圖著色問(wèn)題的，是一個(gè)通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)完成數(shù)學(xué)計(jì)算的實(shí)例。這一過(guò)程的關(guān)鍵，是把地圖著色的不同區(qū)域映射成DNA的不同分子鏈。也就是通過(guò)映射把數(shù)學(xué)問(wèn)題與試驗(yàn)過(guò)程聯(lián)系起來(lái)。該SCIENCE 文章報(bào)道的玻色采樣實(shí)驗(yàn)與DNA計(jì)算有著本質(zhì)的不同。玻色采樣實(shí)驗(yàn)沒(méi)有事先給定任何要解決的數(shù)學(xué)問(wèn)題，沒(méi)有設(shè)定任何數(shù)學(xué)問(wèn)題與試驗(yàn)之間的映射關(guān)系。該實(shí)驗(yàn)就是相干光子通過(guò)光子干涉儀的演示。
沒(méi)有數(shù)學(xué)計(jì)算任務(wù)要完成
在當(dāng)初設(shè)計(jì) “玻色采樣” 實(shí)驗(yàn)文章中，沒(méi)有提出要求要該實(shí)驗(yàn)完成何種數(shù)學(xué)問(wèn)題的計(jì)算。該文明確提出，“從玻色子計(jì)算機(jī)的輸出分布中精確或近似地采樣的問(wèn)題。我們的目標(biāo)是提供證據(jù)，證明這個(gè)問(wèn)題對(duì)一個(gè)經(jīng)典的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是困難的”。
顯然，玻色采樣實(shí)驗(yàn)的目的，不是為了通過(guò)模擬求解任何事先給定的數(shù)學(xué)問(wèn)題，而是為了顯示玻色采樣實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，以至于一個(gè)經(jīng)典的計(jì)算機(jī)不能完成對(duì)于描述該玻色采樣實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)刻畫(huà)的數(shù)學(xué)函數(shù)的計(jì)算。所以，玻色采樣實(shí)驗(yàn)既不是模擬，也不是數(shù)學(xué)計(jì)算。“玻色采樣” 實(shí)驗(yàn)的目的就是顯示 “經(jīng)典系統(tǒng)一般不能有效地模擬量子系統(tǒng)”，“這些量子上可行的狀態(tài)和測(cè)量是自然允許的。雖然它們遠(yuǎn)非 “典型的”，但它們可能很難進(jìn)行經(jīng)典的模擬”。
看來(lái)，SCIENCE 文章描述的實(shí)驗(yàn)不是一個(gè)量子計(jì)算過(guò)程，也不是一個(gè)量子模擬過(guò)程，更不能體現(xiàn) “量子計(jì)算的優(yōu)越性”。
計(jì)算概念的混淆和誤導(dǎo)
既然該文描述的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有進(jìn)行量子計(jì)算，為什么又說(shuō)該實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了 “量子計(jì)算的優(yōu)越性” 呢？我們可以從該文審稿人的文章中找出解答這一問(wèn)題的線索。該文章的審稿人是， Scott Aaronson。他是一個(gè)非常對(duì)口的審稿人。因?yàn)樵?em>SCIENCE 文章報(bào)道的玻色子取樣試驗(yàn)就是他同合作者在七年以前發(fā)表的文章Aaronson?,and Arkhipov（2013）提出來(lái)的。
該文指出 “如果我們將計(jì)算問(wèn)題的概念擴(kuò)大到包括采樣和搜索問(wèn)題，那么情況就完全不同了”。原來(lái)，審稿人將計(jì)算問(wèn)題的概念擴(kuò)大到了包括采樣和搜索問(wèn)題了。在這一概念擴(kuò)大的定義下，“采樣” 本身就是“計(jì)算”。這與我們第一段關(guān)于“計(jì)算”的定義有很大的不同?！傲孔佑?jì)算的優(yōu)越性”可能被理解為是玻色采樣實(shí)驗(yàn)顯示了量子世界的復(fù)雜性。由此我們明白了為什么該文Figure1的說(shuō)明中把高爾頓（Galton）版稱(chēng)之為簡(jiǎn)單的 “計(jì)算機(jī)”（見(jiàn)附圖）。這計(jì)算機(jī)一詞上的引號(hào)可能表示這 “計(jì)算” 一詞是來(lái)自擴(kuò)大了的概念。
在他看來(lái)，該SCIENCE 文章中所用的 “量子計(jì)算” 一詞都是擴(kuò)大的概念，“量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)”，不過(guò)是玻色采樣顯示了量子世界的復(fù)雜程度。而超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算的概念是通用的概念。擴(kuò)大概念的 “計(jì)算” 與通用概念的 “計(jì)算” 不是同一性質(zhì)的物理量，是不能互相比速度的。在Aaronson?,and Arkhipov（2013）文章中沒(méi)有對(duì)這兩者進(jìn)行這種比較， 而在SCIENCE 文章中比了。
可是該SCIENCE 文章沒(méi)有指明 “計(jì)算” 的概念已經(jīng)擴(kuò)大到包括 “采樣“。讀者按通常對(duì) “計(jì)算” 的概念理解（見(jiàn)第一段的說(shuō)明），造成誤導(dǎo)。
該SCIENCE 文章的誤導(dǎo)之二：把玻色取樣實(shí)驗(yàn)設(shè)備誤導(dǎo)成“”光-量子計(jì)算機(jī)
該SCIENCE 文章摘要中提出了 “光量子計(jì)算機(jī)”（The photonic quantum computer）的名詞。把這名詞與正文中的 “九章機(jī)器” 結(jié)合起來(lái)，說(shuō)成“量子計(jì)算機(jī)九章” 似乎是合乎人們的正常理解，于是產(chǎn)生了中國(guó)重大科技進(jìn)步成果 “量子計(jì)算機(jī)九章” 成功研制的說(shuō)法。但是這說(shuō)法是錯(cuò)誤的，是誤導(dǎo)?？萍汲晒Q(chēng)應(yīng)該是九章玻色取樣試驗(yàn)，而不應(yīng)該是九章量子計(jì)算機(jī)。
光-量子計(jì)算機(jī)
該SCIENCE 文章把玻色取樣設(shè)備稱(chēng)為光-量子計(jì)算機(jī)。這是明顯的誤導(dǎo)，因?yàn)闆](méi)有任何根據(jù)，不適合計(jì)算機(jī)的廣義的定義、狹義的定義和商業(yè)的名稱(chēng)。廣義的的定義是說(shuō)，有計(jì)算功能的機(jī)器就是計(jì)算機(jī)，或者說(shuō)能完成計(jì)算任務(wù)的機(jī)器就是計(jì)算機(jī)。
我們?cè)诘诙蔚姆治鲋赋觯Ｉ訉?shí)驗(yàn)沒(méi)有計(jì)算目的也沒(méi)有計(jì)算功能，不是計(jì)算過(guò)程。根據(jù)狹義的計(jì)算機(jī)的定義，能夠求解有解析表達(dá)式和沒(méi)有解析表達(dá)式的各類(lèi)復(fù)雜的函數(shù)問(wèn)題的機(jī)器叫計(jì)算機(jī)，而只能求解單一計(jì)算問(wèn)題的機(jī)器叫計(jì)算器，或者叫專(zhuān)用計(jì)算機(jī)。
由于玻色取樣設(shè)備，不能做任何計(jì)算，因而絕不是“計(jì)算機(jī)”，也不是 “專(zhuān)用計(jì)算機(jī)”。玻色采樣設(shè)備沒(méi)有商業(yè)價(jià)值，沒(méi)有商品名稱(chēng)。該設(shè)備中的“光子干涉儀” 也許可以進(jìn)入科學(xué)儀器市場(chǎng)，但是顯然不是光-量子計(jì)算機(jī)的名稱(chēng)。該SCIENCE 文章定義的 “九章機(jī)器” 只是 “專(zhuān)用量子硬件處理器”，只會(huì)做玻色采樣一件事, 即相干光子通過(guò)量子干涉儀的物理實(shí)驗(yàn)，不會(huì)做任何其他的事，即使是1+2=3都不會(huì)做。所以該文應(yīng)該說(shuō)，該文設(shè)備是 “九章” 玻色采樣器，可是該文卻說(shuō)九章是光-量子計(jì)算機(jī)，讀者被嚴(yán)重誤導(dǎo)了。
玻色計(jì)算機(jī)
該SCIENCE 文章是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格評(píng)審的，其文字表述應(yīng)該是精確的，不應(yīng)該導(dǎo)致誤導(dǎo)。為什么該文審稿人會(huì)同意說(shuō)該玻色采樣實(shí)驗(yàn)設(shè)備是光-量子計(jì)算機(jī)呢？我們還是從其審稿 人Scott Aaronson 在七年前發(fā)表的文章來(lái)分析。Aaronson and Arkhipov（2013）把他們?cè)O(shè)計(jì)的玻色采樣設(shè)備稱(chēng)作 “玻色計(jì)算機(jī)”。該文甚至把高爾頓（Galton）版稱(chēng)之為簡(jiǎn)單的加上了引號(hào)的 “計(jì)算機(jī)”。這是由于該文把計(jì)算問(wèn)題的概念擴(kuò)大到包括采樣和搜索問(wèn)題。既然采樣本身就是計(jì)算，那采樣設(shè)備就是計(jì)算機(jī)了。
然而，該文并不認(rèn)為玻色采樣試驗(yàn)有通用量子計(jì)算機(jī)的功能。該文指出 “玻色子計(jì)算機(jī)甚至似乎不太可能做普遍的經(jīng)典計(jì)算！我們也沒(méi)有任何證據(jù)表明玻色子計(jì)算機(jī)可以做整數(shù)因子分解，或者解決標(biāo)準(zhǔn) “量子計(jì)算機(jī)中不能解決的任何其他決策或承諾問(wèn)題”。
該文還指出，“據(jù)我們所知，這個(gè)模型不能做通用量子計(jì)算（甚至通用經(jīng)典計(jì)算），雖然通用量子計(jì)算機(jī)當(dāng)然可以模擬它，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法有效地解決這些問(wèn)題”。由這些引文，我們可以推定，該SCIENCE 審稿人理解的 “光量子計(jì)算機(jī)” 不過(guò)就是他以前文章中所說(shuō)的玻色計(jì)算機(jī)，不是通用量子計(jì)算機(jī)。
顯然，公眾對(duì) “光量子計(jì)算機(jī)” 的理解， 與該文審搞人的理解不一樣，發(fā)生了概念的混淆。公眾認(rèn)為“光-量子計(jì)算機(jī)” ， 或者 “量子計(jì)算機(jī)九章” 應(yīng)該是通用量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)一詞前面沒(méi)有功能詞匯的限制。公眾也把中國(guó)重大科技進(jìn)步成果 “量子計(jì)算機(jī)九章” 成功研制理解為中國(guó)通用量子計(jì)算機(jī)的研制的進(jìn)展。
結(jié)束語(yǔ)
潘建偉團(tuán)隊(duì)的SCIENCE 文章報(bào)道了一個(gè)富有成效的玻色采樣物理實(shí)驗(yàn)。但是在該實(shí)驗(yàn)沒(méi)有進(jìn)行任何通常意義下的量子計(jì)算的情況下，文中說(shuō) “九章” 顯示了光量子計(jì)算的優(yōu)越性；表明成功的研制了 “量子計(jì)算機(jī)” 九章”；并論證其比超級(jí)計(jì)算機(jī)快10^14倍，都是明顯的對(duì)讀者的誤導(dǎo)。這些誤導(dǎo)是通過(guò)把關(guān)于 “計(jì)算”、“模擬器” 和 “計(jì)算機(jī)” 這些名詞的不同的理解混淆起來(lái)而導(dǎo)致的。
如果該SCIENCE 文章仿效其審稿人2013年發(fā)表關(guān)于這一實(shí)驗(yàn)的建議的文章，明確說(shuō)明 “光量子計(jì)算機(jī)” 不是通用量子計(jì)算機(jī)，不能做質(zhì)數(shù)分解和其他通用計(jì)算機(jī)能做的運(yùn)算，就不會(huì)產(chǎn)生概念混淆了，公眾也不用問(wèn) “九章到底是什么？” 的問(wèn)題了，也不用墨子沙龍和知識(shí)分子主辦網(wǎng)上直播講座討論 “九章到底是什么？”的問(wèn)題了。SCIENCE 刊物是高水平的科學(xué)刊物，也是一個(gè)歡迎公眾閱讀的刊物。公眾關(guān)心的事項(xiàng)與業(yè)內(nèi)專(zhuān)家關(guān)心的事項(xiàng)可能有所不同。在該刊物上發(fā)表文章，要謹(jǐn)慎用詞，注意邏輯，避免誤導(dǎo)。
該SCIENCE 文章另一個(gè)需要注釋的問(wèn)題是，關(guān)于該引言文字的第一句話，是對(duì)于擴(kuò)展丘奇圖靈假說(shuō)的表述，“概率圖靈機(jī)可以有效的模擬實(shí)際物理器件上任意過(guò)程”。我們將說(shuō)明，該表述文字不適當(dāng)，或是不完全精確。該表述文字與該文給出的出處文獻(xiàn)（1）（E. Bernstein, U. Vazirani ，1993）中的文字有重要區(qū)別，也與該文審稿人文章中的表述不同，而后兩者是一樣的，他們都說(shuō)計(jì)算或者是模擬 “計(jì)算問(wèn)題”，而不是 “物理過(guò)程”。
我們?cè)诘谝欢握撟C了，該SCIENCE 文章的這種表述是不適當(dāng)?shù)?。雖然確實(shí)有文獻(xiàn)有這種簡(jiǎn)要表述，但是不能說(shuō)該表述是完全精確的。需要把該表述中 “實(shí)際物理器件上任意過(guò)程” 的說(shuō)法解釋為 “在一個(gè)合理的物理模型中的計(jì)算”（computation in a reasonable physical model），這種表述才是正確的。計(jì)算機(jī)只能模擬物理過(guò)程的數(shù)學(xué)刻畫(huà)，如果一個(gè)物理過(guò)程沒(méi)有適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)刻畫(huà)，計(jì)算機(jī)是不可能描述該物理過(guò)程的。
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