北大教授发文质疑“九章”量子计算优越性 研究团队做出回应

2020 年 12 月 4 日，我国成功达到量子计算研究第一个里程碑量子计算优越性(Quantum Computational Advantage)的新闻刷屏。

当天，中国科学技术大学宣布，由潘建伟、陆朝阳领衔的研究团队构建了 76 个光子 100 个模式的量子计算原型机“九章”。相关研究成果发表于国际学术期刊 Science，题为Quantum computational advantage using photons(用光子进行量子计算的优越性)。

当时这一消息受到国内外各大媒体的报道，引发网友热议。不过，北京大学教授涂传诒曾先后两次就「九章」发文表示质疑，对此两位「九章」作者潘建伟、陆朝阳做了回复。

中国量子计算原型机“九章”问世

“九章”是 76 个光子的量子计算原型机，由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作构建而成。

中国科学技术大学官方表示：

根据现有理论，这一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)。等效地，其速度比 2019 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。

关于高斯玻色采样，《知识分子》曾做过解释：它是一种复杂的采样计算，其计算难度呈指数增长，很容易超出目前超级计算机的计算能力，适合量子计算机来探索解决。它是 “玻色采样” 的一种，而玻色采样是量子信息领域第一个在数学上被严格证明可用于演示量子计算加速的算法。

也就是说，通过高斯玻色取样，“九章”的量子计算优越性得到了证明。

另外，其量子计算优越性不依赖于样本数量，克服了谷歌 “悬铃木”53 比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。“九章”输出量子态空间规模达到了 10 的 30 次方(“悬铃木”输出量子态空间规模是 10 的 16 次方，目前全世界的存储容量是 10 的 22 次方)。

这一成果表明我国量子计算机算力已全球领先，也受到了诸多认可，比如：

Science 审稿人评价：这是一个最先进的实验、一个重大成就。

德国马克斯 · 普朗克量子光学研究所所长、沃尔夫奖得主、富兰克林奖章得主 Ignacio Cirac 表示：这是量子科技领域的一个重大突破，朝着研制相比经典计算机具有量子优势的量子设备迈出了一大步。

麻省理工学院副教授、美国青年科学家总统奖得主、斯隆奖得主 Dirk Englund 评价：这是一项划时代的成果。

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 表示：这是一项杰出的工作，改变了当前的格局。

北大教授两次发文质疑

不过，正如很多科研成果一样，“九章”也同样受到了质疑。

公开资料显示，发出质疑声音的涂传诒教授，系空间物理学家、中国科学院院士、第三世界科学院院士，也是北京大学地球与空间科学学院教授、博士生导师。涂传诒教授 1964 年毕业于北京大学地球物理系，主要研究领域包括空间物理学、太阳风湍流、太阳风动力学与日球层物理等。

涂传诒教授两次通过北京大学空间物理研究所官方微信号 “pku 空间所”发文。

先是2020 年 12 月 21 日，题为《杂谈|是量子计算，还是光学实验?》的文章发布)。文章开篇首先表明：

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。

不过涂传诒教授认为，从论文的标题《用光子进行量子计算的优越性》就可看出，作者认为其用光子做的实验就是量子计算。

这可能会导致如下争议的出现：

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?

所以涂传诒教授的结论是：

研究混淆了 “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。

他也在文章中明确了一点：讨论这些问题不涉及学术，但这是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。

随后在2021 年 3 月 11 日，《对 “九章 - 光量子计算机” 的理解》一文发布。在这篇文章中，涂传诒教授提到：

虽然研究团队在论文发表后通过网上直播讲座声明九章是 “专用量子模拟机”或 “量子硬件处理器”，但该论文仍在公众中造成严重误导。

涂传诒教授表达的逻辑有这样两层：

论文发表前经过了严格评审，且其评审人恰是 7 年前提出 “玻色采样”实验项目文章的作者 Scott Aaronson，因此人们自然会将 “光量子计算机”理解为是一台通用量子计算机，认定中国的 “量子计算机”显示了量子计算的优越性。

Scott Aaronson7 年前的文章明确指出，玻色采样实验没有通用量子计算机的功能，且玻色采样的目的不是数学计算。因此，该研究结果不符合审稿人本意。

文章中，涂传诒教授对相关概念进行了界定、对概念的混淆和误导进行了讨论，并指出：

从任何角度说，玻色采样实验都不是计算过程，也不是模拟过程，与量子计算也没有任何关联;九章机器就是玻色采样的实验设备，与通用量子计算机没有任何关联。

值得一提的是，他也表示：

在撰写这篇评论过程中咨询过多位专家，并与该文作者通过电子邮件进行了有益的讨论。

潘建伟、陆朝阳回应

针对上述质疑，「九章」研究团队的潘建伟教授、陆朝阳教授共同撰文做出回应《“九章”作者对涂传诒先生等若干网络评论文章的回复》。

两位教授提到：

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。

他们将涂传诒教授的观点总结为：第一，“九章”不是量子计算机，没有实现量子计算优越性;第二，“九章”论文和中国科大的新闻稿使民众误认为实现了通用量子计算机。

对此，潘建伟、陆朝阳教授也给出了两点回答：

根据量子信息领域国际定义和共识，“九章”是光量子计算机。根据严格的计算复杂度证明、实验数据论证、国际评审以及广泛的同行评价，“九章”在目前最好的理论框架下，明确无误实现了量子计算优越性。

论文和中国科大新闻通稿都清楚表明，“九章”实现了量子计算的第一个里程碑 “量子计算优越性”，读者只要认真阅读过论文和新闻稿就不会误解 “九章”是通用量子计算机。

两位教授认为，研究成果遭到质疑，可能是因为 “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”。

文章中，两位教授论证、强调了以下几方面：

涂先生说的 “量子计算机这一说法没有出处”显然与事实不符。“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。

在现代科学高度细化的今天，即使是同一个大领域的学者也无法很快详细了解一个子方向的细节和物理意义。因此，现代科学的通行规则是由专业的小同行来进行学术评价。而根据国际专业评审以及广泛的同行评价，“九章”在目前的理论框架下明确无误演示了量子计算优越性。

(注：涂传诒教授主攻空间物理，属于地球物理学下设的二级学科，而地球物理是以地球为对象的一门应用物理学;潘建伟教授团队主攻量子物理，这是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支。)

考虑到舆论环境、创新氛围，部分领域学者对于科技创新的新名词可能抱有非常传统和保守的态度，为避免引起外界的过度解读，中国科大课题组在多方面努力采取了更为中性的表述。在线上直播中，课题组成员借用了更加细化的称呼，这些说法丝毫不削弱工作本身的重大科学意义，也不该被断章取义。

值得关注的是，这篇文章及其后记里不乏很多立场鲜明的表述，比如：

涂先生和部分科学爱好者吐槽 “九章 1+1=2 都算不了”，其实通过调节硬件设置，“九章”很容易可以计算 1+1=2，但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。

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。

笔者觉得，叫什么名字是不重要的，重要的是能干什么。套用一句名言：“解决问题的能力是评价量子计算的唯一标准。”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?

笔者再次感谢涂先生对我们工作的关心和对我们实验的高度评价。正因为我们非常敬佩他认真的态度，本着求真的精神，我们也非常认真地指出他并没有完全理解该实验涉及到的量子计算知识。

文章最后，两位教授表示：

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。