中國量子計算原型機“九章”問世,外國專家披露背後趣事
童黎
【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。