中國量子計算原型機“九章”問世，外國專家披露背後趣事

【文/觀察者網 童黎】給領先全球的科研成果取名“九章”，中國科學家再次玩起“中式浪漫”，既紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》，也致敬過去20年的努力。

觀察者網注意到，中科大潘建偉院士的量子計算原型機研究團隊中，既有28歲當上教授的中堅力量，也不乏97年的後生。

而為《科學》雜誌審核這篇論文的外國專家，還發文披露了與中國團隊之間的有趣互動，感慨“這是迄今為止我寫過最昂貴的審稿報告”。他同時對中國科學家寄來200只口罩，表示感謝。

圖自新華網

快過“懸鈴木”，“九章”後來居上

北京時間12月4日，國際學術期刊《科學》網站刊登中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作成果。

他們構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。

“九章”的厲害之處在哪兒？

2019年，谷歌推出53個超導量子比特的計算機“懸鈴木”，對一個數學算法的計算效率遠超當時世界最快的超級計算機，率先實現了“量子優越性”（quantum supremacy，國外也稱之為“量子霸權”）。

而“九章”讓中國成為了全球第二個實現“量子優越性”的國家，並且後來居上。

據新華社報道，高斯玻色取樣是一個計算概率分佈的算法，可用於編碼和求解多種問題。當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣問題時，“九章”需200秒，目前世界上最快的超級計算機“富嶽”則需6億年。

中科大新聞稿還指出，根據目前最優的經典算法，“九章”對於處理高斯玻色取樣的速度比超級計算機“富嶽”快100萬億倍，等效地比谷歌的“懸鈴木”快100億倍。

同時，通過高斯玻色取樣證明的量子計算優越性不依賴於樣本數量，克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優越性依賴於樣本數量的漏洞。

圖自新華網

圖自文匯網

不過，潘建偉團隊的光量子計算機和谷歌的超導量子計算機實現“量子優越性”的途徑不同，各有所長。

尤其，國際同行公認，量子計算機領域有三個指標性的發展階段：發展具備50-100個量子比特的高精度專用量子計算機****，實現計算科學中“量子計算優越性”的里程碑；將量子模擬機用於解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題，比如量子化學、新材料設計、優化算法等；研製可編程的通用量子計算原型機。

目前，“九章”剛剛幫助我國達成第一個里程碑，是一台專用型量子計算機，和“懸鈴木”一樣只能用來解決一個特定問題。而在圖論、機器學習、量子化學等領域的潛在應用，將是“九章”後續發展的重要方向。

潘建偉今年表示，“希望能夠通過15年到20年的努力，研製出通用的量子計算機，來解決密碼分析、藥物設計等很多非常廣泛的問題。”

試驗“太燒錢”、寄來200只口罩……美專家披露有趣互動

觀察者網注意到，潘建偉團隊可以説非常年輕。其中，80後的陸朝陽早在28歲時，就成為了中科大最年輕的教授。

另據《知識分子》披露，排在論文作者欄前列的鐘翰森為95年出生，王輝是91年出生，陳明城90年出生，鄧宇皓則生於97年。

視頻截圖

作為《科學》雜誌的審稿人之一，美國得克薩斯大學奧斯汀分校廣受尊敬的量子計算機科學家斯科特·亞倫森（Scott Aaronson），在“九章”論文發佈當天，通過博客分享了他對這一研究成果的評價，以及他與中國科學家們的有趣互動。

亞倫森曾在麻省理工學院執教9年。更重要的是，他是高斯玻色取樣的共同提出者。

博客文章截圖

他認為，76個光子的量子計算原型機“九章”“達到並超過了經典超級計算機可以驗證結果的極限”。

他説，一年前，這個研究小組剛剛宣佈完成14個光子玻色取樣任務。這是繼去年穀歌成果之後，第二次實現“量子優越性”，也是第一次通過光量子而非超導量子比特實現，亞倫森對此感到“高興”。

一直以來，耶魯大學和耶路撒冷希伯來大學教授、數學家吉爾·凱拉伊（Gil Kalai）都對量子計算機和“量子優越性”持懷疑態度。“九章”官宣後，亞倫森在博文中特別點名了凱拉伊。

因為在2013年和2015年，凱拉伊曾在這個博客留下評論，説玻色取樣規模永遠不會超過8到10個光子：“如果外星人逼我們嘗試，那我們唯一的希望將是攻擊外星人。”

與此同時，亞倫森在文中欲揚先抑地表達了他看到“九章”後的感受。

亞倫森

因為不少專業人士提出，想通過玻色取樣實現“量子霸權”是個死衚衕，困難重重。尤其在谷歌首先借助超導量子比特驗證“量子優越性”之後，亞倫森也不清楚還會不會有人做這種嘗試。

“即使在一年前得知潘建偉團隊的研究計劃後，我還是持懷疑態度，想着等到看見論文，我就會相信了。”

**至於谷歌在一年前就宣佈了“量子霸權”，這個新實驗的意義是什麼？**亞倫森表示，對他來説，“量子霸權”至少要驗證兩次才行。而且，這是首次通過光子證明“量子優越性”的可能性。最後，正如論文所指出的，與谷歌相比，新實驗有一個很大的技術優勢：輸出態空間維數大幅提高，其能力是IBM此前為反駁谷歌成果所提出的經典計算機替代辦法也難以做到的。

最後，亞倫森還講述了兩個有趣的背後故事。

他曾經問作者，為什麼實驗只驗證到26-30個光子，超過這範圍的就通過合理推斷解釋？因為現有的計算機應該能驗證到40-50個光子。

幾周後，作者回復説，他們現在已經驗證了40個光子的結果，其間消耗的超級計算機運行時間價值40萬美元，所以他們決定就此打住。

“這是迄今為止我寫過最昂貴的審稿報告！”亞倫森開玩笑説。

博客文章截圖

有意思的是，有網友在博文下留言稱，更希望團隊只驗證26-30個光子的結果，這樣其他人還能通過模擬30個光子以上的結果來提出質疑。

亞倫森回覆並提醒網友，要是真有人想通過這樣的方式提出異議，那麼論文裏還是有很多其他結果可供他方驗證。

博客截圖

也就是説，潘建偉團隊給同行留下了驗證“九章”實驗結果的餘地。即便可能與超級計算機驗證“太燒錢”有關，但這也是一種自信。

另據文匯網報道，潘建偉團隊通過與國家並行計算機工程技術研究中心合作，在超級計算機上對“九章”所獲得的先期結果進行驗證，從簡單開始，直至複雜到超算難以勝任——如果少光子結果都可得到印證，那麼同一個裝置的多光子結果也將是可信的。

陸朝陽説，“10個、20個光子的時候，結果都能對得上，到40個光子的時候超算就比較吃力了，而‘九章’一直算到了76個光子。”另一方面，超算的耗電量太大，計算40個光子時需要電費200萬元，41個光子需要400萬元，42個光子需要800萬元，推算下去將是天文數字。

這也從側面反映了“九章”與傳統超算之間的巨大差異。

最後，在美國暴發新冠疫情，中國口罩很充足，但在美國幾乎買不到的時候，陸朝陽主動給亞倫森寄了200個口罩。

“我不認為這有影響我後來的審稿，但我還是很感激。”亞倫森再次調侃説，並熱烈祝賀整個團隊所取得的成就。