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科普文章

“九章”作者对涂传诒先生等若干网络评论文章的回复
发布时间:2021-03-17    444   


例如,研究“空间物理学、太阳风湍流、太阳风动力学与日球层物理”的北京大学涂传诒院士多次在公众号发表质疑文章,长期多次来信与我们交流,并发函至中国科学院发表意见。涂传诒院士主要有两个质疑:

  1. 笔者非常感谢涂先生对我们工作的关注,对于他的质疑,我们给出如下回答:

    1. 结合其他流传的网络评论文章,笔者分析了引起质疑的原因,认为可能是由于涂先生和部分科学爱好者对于量子计算和玻色取样的专业概念的理解存在偏差。对此,我们在如下回复中进行了详细阐述。

    2. 国际学术界对于“量子计算机”的定义和词汇使用

      2010年,六位在不同物理系统上(光学、超导、离子阱、固态等)研究量子计算的资深专家在《自然》(Nature)杂志上发表了题目为“Quantum computers”(量子计算机)的综述论文[Nature 464, 45 (2010)],文中第一句话就定义了量子计算机:“量子计算机是一个利用多粒子量子波函数的复杂性来解决计算难题的机器。”(“a quantum computer: a machine that would exploit the full complexity of a many-particle quantum wavefunction to solve a computational problem.”)

      在这一定义下,“量子计算机”已经被国际学术界长期使用。据不完全统计,1998年以来(当时量子计算实验技术刚刚起步,只能做两个物理比特和最简单的实验演示),包括David J. Wineland(因为量子计算等获得2012年诺贝尔物理学奖)、Peter Zoller(2013年沃尔夫物理学奖)、Anton Zeilinger(2010年沃尔夫物理学奖)、Rainer Blatt(美国科学院院士)等在内的国际量子计算研究先驱在他们利用原子、离子、核磁、光子等开展量子计算实验研究的文章题目中就已经醒目地使用“quantum computer”(“量子计算机”)一词。列举几个例子:

      ●Wineland, et al. Experimental Primer on the Trapped Ion Quantum Computer. Fortschritte der Physik, 46, 363 (1998).

      ●Zeilinger, et al. Experimental realization of Deutsch's algorithm in a one-way quantum computer. PRL 98 140501 (2007).

      ●Zoller, & Blatt, et al. Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer. Nature 534, 516 (2016)。

      综上,“九章”光量子计算机这一名词的使用完全符合国际学术界长期建立起来的规范和标准的定义。

      “九章”实现量子计算优越性的科学意义

      “九章”的最重要科学贡献是首次显示了基于光子的量子计算机在特定问题求解方面超越了最强大的超级计算机(根据目前最好理论,快一百万亿倍),使我国首次利用光子体系达到量子计算优越性里程碑。

      ● 来自哈佛大学、麻省理工学院、英国帝国理工学院、加拿大多伦多大学、新加坡国立大学等的15名国际知名学者应邀为《现代物理评论》(Reviews of Modern Physics)誊写的预印本论文中(arXiv:2101.08448,第4页),提到“除了谷歌之外,另外一个量子计算优越性实验由潘建伟小组完成,他们利用‘九章’光量子计算机完成了高斯玻色取样任务”(“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) …”)。

      ● 麻省理工学院教授Dirk Englund在接受媒体采访中评价:“这是一个划时代的成果。这是开发这些中型量子计算机的里程碑。”(“This is a momentous result. It’s a milestone in development these intermediate scale quantum computers. ”)



      ●《自然》新闻 – 中国物理学家向谷歌“量子计算优越性”发起挑战:光量子计算机实现经典计算机永远无法完成的运算。

      ●《科学美国人》– 光量子计算机超过全球运算最快的经典计算机。

      ●《新科学家》– 测量光的量子计算机实现量子霸权。

      ●《科学新闻》–“九章”新型光学量子计算机实现量子霸权。



      首先,为了避免论文被误读为容错的通用量子计算机,“九章”论文前言明确指出:“建造可以用来运行Shor算法的容错量子计算机还需要长期的努力”(Building a fault-tolerant quantum computer to run Shor’s algorithm, however, still requires long-term efforts)。

      第三, 在新闻通稿中特意用了“量子计算原型机”(prototype)的称呼,以此强调还处于实验室研究阶段,离实用化还有距离






      第六,尽管做了上述努力,在复杂多变的信息传播过程中,依然不可避免地出现了一些对相关工作了解不够的媒体和个人公众号的过度解读。中国科大课题组一贯反对科技宣传的浮夸风,为澄清相关科学概念,课题组成员潘建伟和陆朝阳主动参加了“知识分子”等媒体组织的线上直播(点击量超过两百万),以科学积极的态度回应公众和经典计算领域相关专家的争议。




      首先,如前所述,根据国际学术界长期建立的对“量子计算机”的科学定义和广泛使用,“九章”毫无疑问是光量子计算机。

      事实上,(1)玻色取样是一个非常清晰定义的有输入输出的计算过程:给出一个事先给定的N*N的幺正矩阵,计算任务就是由经典计算机和量子计算机给出和该矩阵的积和式(Permanent)相关的输出样本(可参阅牛津大学课题组发表的Science 339, 798 (2013)论文的第三段)。计算积和式是一个典型的#P-hard问题,随问题规模变大需要指数量级的计算时间。(2)正因为玻色取样是一个定义清晰的数学问题,因此被国际学术界公认为是用来证明量子计算优越性的理想算法,如2017年发表在Nature 549, 203-209的文章“量子计算优越性”(Quantum computational supremacy)所大篇幅论述和明确指出的。(3)涂先生对非本专业的量子光学概念存在一些误解,例如,玻色取样输入的不是“相干子”(否则计算过程就变得非常简单了),而是非经典的全同单光子或者压缩态,输出光子也不是“高斯分布”,而是由该矩阵积和式决定的一个复杂分布。

      b)涂先生和部分科学爱好者吐槽:“九章1+1=2都算不了。”

      通过调节硬件设置,“九章”很容易可以计算1+1=2,但是这无异于杀鸡用牛刀。事实上,涂先生和少数网民指出来的是15年前领域的发展水平。2005年,中国科大研究组首次实现了独立光子之间的非破坏性控制逻辑非门CNOT(PRL 94, 030501),利用CNOT就可以实现加法器。2007年,在此基础上,研究组演示了最简单的大数分解算法例子,把15分解为3乘以5(PRL 99, 250504),该工作被美国物理学会、《新科学家》等报道,入选了“中国基础研究十大进展”和“中国高校十大科技进展”。这些工作是国际上最早利用光子比特开展的通用量子计算研究。但是,如新闻通稿里面路线图指出的,这个方向还需要长期努力,做到几百万个高保真度量子比特才能体现量子优势。所以,量子计算领域的专家一直在设计更巧妙的计算路径。“九章”就是其中一种。

      为了更便于理解,我们举一个贴近生活的例子。如同量子计算机的研究是为了解决传统计算机难以求解的问题,汽车、飞机和火箭的产生也是为了突破先前传统交通工具难以企及的界线。但是,人们不会追求“大而全”而要求飞机要载人散步爬楼梯,等等。

      明显地,根据严格计算复杂度证明、实验数据论证、国际评审以及广泛的同行评价,“九章”量子计算机在目前最好的理论框架下,明确无误地实现了量子计算优越性。



      对于广大民众,想要了解科学,要有科学的思维,一定要分辨清楚科学关心的是什么?对于量子计算来说,我们关心的是有没有超越人类当前操纵物质世界的能力?能不能更高效地算清楚更多的东西?造出一个利用全新的原理允许的计算装置,并具备超越经典计算机解决问题的能力,是核心科学目标。如果非要咬文嚼字,很多科技创新就会陷入被旧认知口诛笔伐的境地。太空飞船一定要是在水里游的船吗?机器“人”一定要按照原来的“人”的标准来定义吗?原子“弹”非要遵循常规子弹的条条框框吗?分子“马达”必须长得符合普通大众对马达的固有印象吗?

      当然,这是非常正常和普遍的现象。回顾科学发展史,包括量子力学在内的许多新概念和技术在其产生的初期,都不被包括许多知名科学家在内的学界和公众理解,而往往都需要一定的时间才被逐步接受和广泛认可。量子信息科学从本世纪初在国内甚至被认为是伪科学,到目前成为几乎所有发达国家的重大战略,该领域也是一直在质疑声中不断成长和被接受。在这个过程中,我国已经逐步取得了在量子通信领域领跑和在量子计算领域并跑的公认的国际地位。我们会继续充满着极大的感恩、耐心和信心,努力取得更好的成绩回馈社会。

      [1] Quantum computational advantage using photons;中国科学家实现“量子计算优越性”里程碑

      [3] 对“九章-光量子计算机” 的理解 (微信公众号“pku空间所”,2021-3-11)

      附件下载链接:

      提取码:vmpx

      附文一:杂谈|是量子计算,还是光学实验?


      中国科技大学潘建伟团队于2020年12月3日在“SCIENCE”发表First release report,H.-S. Zhong et al., Science 10.1126/science.abe8770 (2020) (见附件 1),发表“高斯玻色取样”的实验结果,有76个被探测到的光子,这远远超过了先前创下的有5个被测光子的纪录。《科学》杂志审稿人认为,此项成果是“一个最先进的实验”;“这个实验不存在争论”;“这个实验技术挑战非常巨大”。加拿大卡尔加里大学教授、量子科学和技术研究所所长Barry Sanders说“为了获得此结果,他们必须解决许多非常困难的技术问题。仅仅在技术层面上,他们所取得的成就也令人印象深刻。这是人们梦寐以求的实验,他们做成了,让梦想走进现实。”(见附件2,附件5)。确实,对于实验的先进性、实验解决的问题、实验技术的挑战,没有争论。但是,人们对《科学》文章报道的内容,是物理实验还是量子计算,有不同看法。“SCIENCE” 文章(附件 1)的标题是“Quantum computational advantage using photons”,(用光子进行量子计算的优越性)。由此标题可看出,该文认为其用光子做的实验就是量子计算, 比起当代超级计算机有优越性。该文导致出现如下有很大争议的评价:九章量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍;“九章”一分钟完成的任务,超级计算机需要一亿年;等效速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。对此,人们提出如下的概念性的或者是逻辑性的问题(附件 3.):SCIENCE 文章模拟“高斯玻色取样”的过程是物理实验还是量子计算?实验装置是不是量子计算机?实验获得结果的速度与超级计算机数值模拟该项任务的速度比较是否有意义?讨论这些问题不涉及学术,但是这是一个社会关心的热点问题,讨论这一问题,对于厘清相关名词和语言的概念是重要的,对于准确描述相关科技现状是重要的,对于公众的理解是重要的。本文将详细讨论这些问题。本文结论是,该“SCIENCE”文章,混淆了“实验”与“计算”的概念,所做的光学实验与量子计算无关,“九章” 机器不是量子计算机,不能直接显示量子计算的优越性。本文分段如下:2. SCIENCE 文章内容的科普理解;3. SCIENCE 文章描述的过程是物理实验还是量子计算?该装置是光学实验设备还是是量子计算机?4. 实验获得结果的速度与超级计算机数值模拟的速度比较有没有意义?5.结论。

      我们先简单科普一下“玻色取样”问题。

      下图显示“玻色取样”的基本概念:当n个全同玻色子经过一个干涉仪(线性变换器)之后,求特定分布的输出概率。这就是一种量子版的“高尔顿板”问题。就像图二展示的那样,小球变成了光子,钉板变成了分束器,若干个光子进入网格之后,经过分束器组成的干涉仪,最终分别在哪些出口被探测到,记录下来,就是一个采样。积累之后,光子数也会有一个分布。每一种采样结果都对应一个概率。全部可能的采样结果就构成输出态的态空间。见下图, 左图示出原理, 右图示出九章实验的结果。

      图-2:左图,“九章”实验的原理图,光子干涉网络和结果分布的示意图。右图,最终探测到的光子数分布。这高斯分布横轴最高的数目是76个光子。

      图-3:“九章”量子计算原型机光路系统原理图(上图):左上方激光系统产生高峰值功率飞秒脉冲;左方25个光源通过参量下转换过程产生50路单模压缩态输入到右方100模式光量子干涉网络;最后利用100个高效率超导单光子探测器对干涉仪输出光量子态进行探测 制图:陆朝阳 彭礼超。下图是实际装置的照片。

      是物理实验还是量子计算?

      物理实验与计算机计算的区别是:在物理实验中,在初条件给定后,各个中间物理过程以及结果都是真实自然发生的。而在计算机模拟计算中,这些中间过程都是利用对相应的物理定律的数学描述,用数学方法计算出来。这种计算,需要给出中间过程某一时刻的所有有关数据,才能计算下一时刻的状态。由于对于相应物理规律认识的局限性,又由于计算机条件的限制,数值模拟计算很难精确再现自然。例如两个真实的小球相碰的实验。给定两个小球的初速度,碰撞后自然弹开,可以测量实验结果,两个球的末速度。但是在数字计算过程中,需要计算小球的质量、入射角度、速度、小球表面弧度、硬度,碰撞时表面的压缩过程等等,然后才能计算出小球碰后的状态。

      “SCIENCE”文章报道的“高斯玻色取样”(Gaussian boson sampling)的物理实验中,各个中间过程中,都是真实发生的物理过程,这些物理过程都是“玻色取样”要求的。最后模拟的结果(见图-2 右图的分布)是真实物理过程的统计。整个过程没有引入任何基于物理规律的计算。这显然是一个物理实验过程,而不是任何计算过程。用真实的光学实验实现了“高斯玻色取样”问题的要求,实验直接给出了结果,没有任何常规和量子的计算介入。这一光学实验,可以看做是光量子模拟实验,与量子计算机的数值模拟计算没有任何关系。

      实际上“SCIENCE”文章正文明确认为他们所做的是实验,而不是计算。该文用下面的句子开始描述“九章”机器,“We name our GBS machine Jiuzhang. We start describing the experimental results from…”, (我们把我们的GBS机器名为“九章”, 我们从…… 开始描述实验结果)。这表明,“九章”机器是用来做实验的。该文也明确表明他们的结果是“实验结果”(experimental result);“实验确认”(Experimental validation)的结果。例如, Fig3 的说明:

      图-4, SCIENCE 文章中Fig. 3 的说明。4次用“实验”来描述他们的结果。

      但是,该SCIENCE文章出现了自相矛盾的观点。 虽然该文认为所获得的结果都是实验得出的结果,但是该文标题是“用光子进行量子计算的优越性”。该文摘要强调,该文设备是光子量子计算机,该文结果是这台计算机产生的。该文摘要指出:“The photonic quantum computer generates up to 76 output photon clicks”,(这台光子量子计算机产生了最多76个输出光子)。这里, 人们不理解, 既然这76个光子是观测到的真实的光子,他们怎么可能通过量子计算产生?

      图-5. SCIENCE 文章的标题和摘要

      什么是“实验”,什么是“计算”, 人们有着通常的理解,没有“计算”功能的机器就不能说是“计算机”。当然, 将来的量子计算机,可能将是由一套光学设备组成, 由光子在复杂光路中运行来完成计算任务。但是光子在计算机中所经历的物理过程应该与计算任务要描述的物理过程没有关联。也就是说,计算机是通过计算来求得解答的,而不是通过直接的实验来求得解答,后者是专门物理模拟实验设备,而不是计算机。就像电子在电子计算机半导体器件中经历的物理过程与计算机计算的课题没有关联一样。如果给的计算任务是模拟计算鸡蛋的生成过程,不能找一个鸡下个蛋就算是解答问题了,更不能定义这母鸡下蛋过程就是计算过程,不能定义这母鸡就是计算机。

      既然SCIENCE文章获得的结果来自于实验,那么将实验获得结果的速度与超级计算机数值模拟的速度比较有没有意义?

      从一般逻辑思维来看,人们只能在相同的计算任务的情况下,才能比较两个计算机的计算快慢。通常要比较两辆汽车速度的快慢,他们必须跑相同的路线。所谓量子计算的计算能力超过经典计算机的计算能力,是指对于明确给出的数据、和清晰的计算过程的计算的比较。像玻色取样的实验不是适合比较的课题,因为其中间过程中每个节点的光信号的变化,都是自然干涉的结果,都是客观物理过程。而数字计算机需要根据物理规律计算来描述这些物理反应的过程,因而费时而且难以得到精确结果。“九章”机器通过物理过程来实现的速度,是物理模拟实验的速度,不能与任何计算机数值模拟的速度比较(附件-3)。计算机数值模拟很快发生的真实的物理过程需要很长的时间,是一个大家都知道的普遍现象。例如,模拟核弹爆炸,超级计算机要计算很长时间,但是真正的核弹爆炸生成爆炸参数就那么一瞬间。比较核弹爆炸时间与用超级计算机进行数值模拟所需要的时间没有意义。两者不是同类事物。

      Aaronson and Arkhipov (2011) (见附件6)提出“波色采样” 的任务。该文提出要寻找一个量子系统,比通用量子计算机更接近实验实际的量子系统,但是该系统很难被经典模拟描述。该文提出了一个关于光子产生和运动的数学模型。该文证明, 该模型描述的正是这样一个系统。对于该系统(模型)即使近似和粗略的经典模拟都会瓦解。这样就能显示量子世界的复杂性。但是,该文给出的只是一个理论,不需要量子光学知识。该SCIENCE文章的实验,在前人实验的基础上,更好的实现了Aaronson, and Arkhipov (2011) 提出的“玻色取样”量子模拟系统。虽然不是量子计算机,但是根据Aaronson, and Arkhipov (2011) 的证明,实现了“玻色取样”,就表明量子系统的复杂性不是经典系统能够模拟的。潘建伟团队的设备虽然不是通用量子计算机,但是能够显示量子系统的复杂性,这使得学术界是在认识上前进一步。

      Zhong et al., Science 10.1126/science. abe8770 (2020) 报告了一个最先进的实验,人们 梦寐以求的实验,和技术挑战非常巨大的实验。但是该文的表述,混淆了“实验”与“计算”的 概念,该文提出的看法:“其用光子做的实验就是量子计算, 比起当代超级计算机有优越性”, 引起争议。本文认为其光学实验与量子计算无关,其实验设备不是量子计算机,不能与电子计算机比较, 不能显示量子计算的优越性(霸权)。

      附文二:对“九章-光量子计算机” 的理解


      人们顾名思义把“光量子计算机”理解为是一台通用量子计算机,认定中国取得“量子计算机《九章》”研制成功的重大科研成果,并显示了量子计算的优越性。人们有理由相信该“SCIENCE”文章是有道理的。因为该文是经过严格评审的,其评审人就是七年前提出“玻色采样”实验项目的文章的作者,Scott Aaronson。

      在撰写这篇评论过程中,作者咨询过多位专家,并与该文作者通过电子邮件进行了有益的讨论,在此声明并表示感谢!

      判断九章机器是不是量子计算机的问题,与“计算机”的定义有关。要讨论玻色采样实验是不是显示了量子计算的优越性,需要了解什么是“计算”。对于“计算机”、“计算”和“模拟”这些概念,没有公认的明确严格的定义来界定。通常不同学科和不同个人的看法和用法都会有不同。人们没有必要过分局限于名词本身,要把注意力放在具体用词的内涵,避免由于没有公认的定义而引起概念的混淆。在第二段,我们将表明,该“SCIENCE”文章导致的的误导正是由于这些概念的混淆。

      1. 广义的定义。什么是计算机,这没有公认的定义。一种宽泛的定义是,有计算功能的机器就是计算机,或者说能完成计算任务的机器就是计算机。那么算盘和计算尺都是计算机。手摇计算器,专用模拟器都是计算机。收音机的功率放大部件,以及加法器,乘法器等都是计算机。通用计算机可通过编程计算各种问题,但是对有的课题,需要很长计算时间。而模拟器是针对特殊问题设计的,可以在很短时间得到答案。两者都是计算机。这是广义的计算机的定义。这种定义,可能是从计算机学科划分的角度来看的。

      3. 作为商品名称的定义。计算工具的使用,不是限制在计算专家的学术范围,各行各业都使用不同类型的计算工具。公众使用的计算工具是通过商业渠道购买到的,这使得公众对计算工具的名称的认知受到商品名的影响。商家希望通过商品的名称表达商品的功能和复杂程度。商家不把算盘和计算尺称为计算机。他们称作为电子计算机的都是通用的能编程的。我们用的笔记本电脑的商品名称是便携计算机(computer)。而我们用来计算加减的计算工具的商品名称是计算器(calculator)。公众在实际生活中接受了对计算工具称呼的这种理解。

      计算机计算与物理实验之间有下面5层关系:

      (2)物理系统的数学刻画。这

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