不能编程、烧钱、没用？潘建伟直播回应“九章”量子计算争议

本文转载自腾讯科技

在200秒时间内，76个光子穿过中国科学技术大学潘建伟团队精心构筑的光学网络，完成了5000万个样本的高斯玻色采样。而同样一道数学题交给世界上最顶尖的超级计算机“富岳”，需要6亿年，差距超过了百万亿（10的14次方）。

这个于12月4日揭开面纱的光量子计算模型机名为“九章”，是世界上第二次达到加州理工学院教授普雷斯基尔提出的“量子霸权”（Quantum supremacy）标准的量子计算实验。

潘建伟觉得这个名称太霸道，不够学术性。他选择了 “量子优越性”（Quamtum advantage）这个词，含义是一样的，即量子计算机在特定问题上超越世界上性能最好的经典计算机。

尽管选择了一个更低调的名词，“九章”还是引发了轰动性的讨论甚至是争议。它只能算一个“没用”的问题？它比谷歌的“悬铃木”要快100亿倍是怎么算出来的？“烧钱”在一台不能编程的机器上值得吗？

陆朝阳与潘建伟

面对这些好奇与质疑，12月30日，“九章”论文通讯作者潘建伟、陆朝阳走进墨子沙龙X知识分子直播间，与其他5名量子信息或计算机领域的学者进行圆桌讨论。

争议一：“九章”是否比谷歌的“悬铃木”快100亿倍？

世界上首个完成这项挑战的是美国谷歌公司。2019年，谷歌使用了53个超导量子比特制作了一台名为“悬铃木”（Sycamore）的处理器，运行随机量子线路采样，耗时约200秒可进行100万次采样。而最强超算、美国橡树岭国家实验室Summit计算机得到同样结果需要花上一年，差距约十万倍。

而如前文所述，在高斯玻色采样问题上，“九章”比Summit的后浪“富岳”要快百万亿倍，等效地比谷歌的超导量子比特计算机“悬铃木”快100亿倍。

不少人疑惑，“悬铃木”解决的是随机量子线路采样问题，“九章”解决的是高斯玻色采样问题，根本不是一个问题，如何比较？

潘建伟对此类疑惑表示理解；“算的是不一样的东西，怎么来比较，好比一个是跑步，一个是登山。因此，在我们文章里面，我们只是说等效地快多少倍，比方说谷歌算他那个任务和我们算我们这个任务都是10秒钟算法，最快的超级计算机算它那个任务要1万年，算我们这个要1亿年，这就可以等效地比较，这个比较并不是特别严格。”

因此，他呼吁媒体传播不要离开科学内涵，不然不仅没有推动的作用，反而会带来负面的影响。

上海财经大学信息学院教授陆品燕也认为，这里的快多少倍，不能用平时大家接触到的下一代计算机芯片比上一代芯片快多少来理解。

陆朝阳补充道，“九章”量子优越性实验也克服了谷歌实验的一个漏洞。“打个比方的话，它短跑是比经典计算机快的，但它长跑其实是要比经典计算机慢的。‘九章’不管长跑短跑，以现有理论来说，都可以比经典计算机快。”

争议二：“九章”是否能编程？

谷歌发表在《自然》（Nature）上的“悬铃木”论文题目为《基于可编程超导处理器的量子霸权》“Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”，而潘建伟团队发表在《科学》（Science）上的“九章”论文题目为《基于光子的量子计算优越性》“Quantum computational advantage using photons”。

“九章”没有提到“可编程”这个概念，引人注目。

对此，潘建伟回应道，光量子计算机原理上是可以编程的，团队计算在下一个版本的“九章”中实现可编程。

他具体解释道， 2001年之前，很多人认为光量子只能在干涉仪里干涉，不能实现光和光之间的强耦合，因此做逻辑门是非常困难的。

“非常有意思的是，三位科学家在2001年的时候本来想证明用光的手段是无法来做通用、有效的量子计算的，结果在证明过程中，他们证明小小的量子光学干涉手段，已经足以用来做有效的、可编程的量子计算了。这当时在我们领域里面引起了比较大的轰动。”

潘建伟表示，量子优越性这个概念本身就只是通向通用量子计算机的第一个里程碑，只是为了演示实现后续里程碑的能力基础。“在第一个里程碑里面，我们就不太关心它可不可以编程，我们主要关心它算得快不快，对那个任务来讲，可不可编程是不太重要的。”

那么，“九章”未来能不能编程？他说道，“其实对光的强度、相位、折射率、反射率等进行调制的话，就能可编程，我们希望能在2-4年里做这个事情。”

不过，潘建伟也强调，可编程不意味着它什么都可以算，不意味着它是一个通用计算机。

质疑三：超算不能更快了？

事实上，无论是“悬铃木”的随机路线采样，还是“九章”的高斯玻色采样，都是为量子计算量身定制的问题，可以说是一场“表演赛”。

尽管如此，还是有人想要在量子计算的专属舞台上挑战量子计算。

事实上，在2019年谷歌刚刚宣布实现量子霸权后不久，IBM公司就证明通过一些优化，将超算解决相同随机路线采样问题的时间从谷歌声称的1万年降到了2.5天。

那么，超算还能不能更快？“九章”的优势能禁住时间的考验吗？这一点上，连计算机科学家内部也有不同的看法。

中国科学院自动化研究所研究员王飞跃相信，量子计算机的优越性是非常牢靠的，目前都没有计算机科学家能证明经典计算能解决这样的难题。比起来，他更担心量子计算发展太快带来的危机。

而陆品燕则对经典计算机怀抱信心。他说道，高斯玻色采样和随机路线采样对应到经典计算就是近似采样的问题，但经典计算机也有很多好办法，不用指数级的时间增长就能完成计算。超算还能不能更快，尚不能盖棺定论。

潘建伟和陆朝阳透露，“九章”的下一个版本将把76个光子拓展到85个以上，从而令原有的一百万亿倍优势再提高一亿倍左右，拉大距离。

不过，陆朝阳强调，希望经典计算机来挑战这样一个10的14次方的优势。

“量子优越性不是一蹴而就，是不断提升的量子机器和经典计算机之间不断的竞争。但我相信量子并行性最终会带来令经典计算机望尘莫及的能力。”

质疑四：“九章”是否很烧钱？

在产业界，量子计算已经掀起来一股烧钱的潮流。

潘建伟说道，据可靠的统计，谷歌以往10年在超导量子计算上至少花了10亿美元以上。即使是在团队内部，也是朱晓波负责的超导量子计算研究比较“值钱”，整条工艺都要自己加工。“我们有学校和科学院的制成，设备仪器是可以调用的，肯定没有那么多。”

潘建伟坦白地表示：“肯定地说，短期内只花了钱，还没有挣钱。现在是把钱烧成纸的阶段，把纸变成钱的时代还没有完全到来。”

不过，他假设如果有一天突然发现高斯玻色采样是个很重要的问题，而且确实可以算到80个光子，从这个角度，量子计算就把之前花的钱都赚回来了。

要知道，“九章”研究团队为了在超算上做比较验证，“神威·太湖之光”超算帮忙出了40万元的电费，进行了40个光子的计算。如果真要算到76个光子，电费就要超过美国的总产值。

争议五：“九章”是否没用？

当然，目前我们还没有发现高斯玻色采样这道对超算来说很难、对“九章”来说很容易的数学题到底有什么应用价值。

理论表明，2000万个比特的量子计算机可以实现Shor算法—大数质因子分解的量子算法，从而可能使得现有的密码形同虚设。

这里人类现在能控制的几十个量子比特还有很大的差距。

“九章”更严谨的定义，其实是早期的量子模拟器。潘建伟表示，从他自己的角度，不介意“九章”被叫做量子计算器或者量子算盘。

陆朝阳表示，“量子优越性”是健康地走向最终目标的基石，而之后的第二个里程碑，就是专用量子模拟器，在材料设计、量子化学、机器学习等领域寻找到机会，提供一些很好的解决方案。这大概需要数百到数千比特。

“我们有信心，估计在未来的五年左右应该是可以做到的。”

在近阶段，陆朝阳希望“九章”可以成为实验研究方面的工具，取代一部分超算的负担。这就像激光一样，刚被发明的时候也是用来做科学实验的。

至于普通大众想要看到的应用，可能需要15-20年的时间。

腾讯量子实验室杰出科学家、香港中文大学终身教授张胜誉不觉得非通用性本身是任何问题，如果我们能用一个非常专用机器解决一个重要的问题，这本身没毛病。

他说道：“关键看这个问题在科学研究或实际应用上任何一方面有比较好的价值。‘悬铃木’和‘九章’在科学上证明了我们之前在比较少的粒子上观测到的现象，在多粒子体系中并没有出现非常不一样的物理。在工程上也是非常难以实现的。两个团队都很伟大，我觉得在科学和工程上的价值是被低估的。”

中国科学技术大学上海研究院量子物理与量子信息研究部教授朱晓波虽然并不负责光量子计算研究方向，但也认为，大家对“九章”科学和技术上的进步关注太少了。他形象地说道，量子优越性最大的意义，“就是孩子终于开始走路了”，这远超比谁快、比谁慢的意义。