物理實驗還是量子計算（轉載）_風聞

作者：塗傳詒

引言

中國科技大學潘建偉團隊於2020年12月3日在“SCIENCE”發表First release report，H.-S. Zhong et al., Science 10.1126/science.abe8770 (2020) （見附件 1），發表“高斯玻色取樣”的實驗結果，有76個被探測到的光子，這遠遠超過了先前創下的有5個被測光子的紀錄。《科學》雜誌審稿人認為，此項成果是“一個最先進的實驗”；“這個實驗不存在爭論”；“這個實驗技術挑戰非常巨大”。加拿大卡爾加里大學教授、量子科學和技術研究所所長Barry Sanders説“為了獲得此結果，他們必須解決許多非常困難的技術問題。僅僅在技術層面上，他們所取得的成就也令人印象深刻。這是人們夢寐以求的實驗，他們做成了，讓夢想走進現實。”（見附件2，附件5）。確實，對於實驗的先進性、實驗解決的問題、實驗技術的挑戰，沒有爭論。

但是，人們對《科學》文章報道的內容，是物理實驗還是量子計算，有不同看法。“SCIENCE” 文章（附件 1）的標題是“Quantum computational advantage using photons”，（用光子進行量子計算的優越性）。由此標題可看出，該文認為其用光子做的實驗就是量子計算， 比起當代超級計算機有優越性。該文導致出現如下有很大爭議的評價：九章量子計算系統處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍；“九章”一分鐘完成的任務，超級計算機需要一億年；等效速度比去年穀歌發佈的53個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。對此，人們提出如下的概念性的或者是邏輯性的問題（附件 3.）：SCIENCE 文章模擬“高斯玻色取樣”的過程是物理實驗還是量子計算？實驗裝置是不是量子計算機？實驗獲得結果的速度與超級計算機數值模擬該項任務的速度比較是否有意義？討論這些問題不涉及學術，但是這是一個社會關心的熱點問題，討論這一問題，對於釐清相關名詞和語言的概念是重要的，對於準確描述相關科技現狀是重要的，對於公眾的理解是重要的。本文將詳細討論這些問題。

本文結論是，該“SCIENCE”文章，混淆了“實驗”與“計算”的概念，所做的光學實驗與量子計算無關，“九章” 機器不是量子計算機，不能直接顯示量子計算的優越性。

本文分段如下：2. SCIENCE 文章內容的科普理解；3. SCIENCE 文章描述的過程是物理實驗還是量子計算？該裝置是光學實驗設備還是是量子計算機？4. 實驗獲得結果的速度與超級計算機數值模擬的速度比較有沒有意義？5.結論。

02

SCIENCE 文章內容的科普理解

我們先簡單科普一下“玻色取樣”問題。

所謂“玻色取樣”問題，可以解釋成一個量子世界的高爾頓板。這個問題的模型如圖1所示，小球從最上方被扔下，每經過一個釘板，都有一半的可能從左邊走，一半的可能從右邊走，當有很多個小球從上往下隨機掉落時，落在下面的格子裏的小球數量分佈上會呈現一定的統計規律（高斯分佈）。見下圖

圖-1，高爾頓板問題。左圖，原理；右圖，真實實驗的照片。

下圖顯示“玻色取樣”的基本概念：當n個全同玻色子經過一個干涉儀（線性變換器）之後，求特定分佈的輸出概率。這就是一種量子版的“高爾頓板”問題。就像圖二展示的那樣，小球變成了光子，釘板變成了分束器，若干個光子進入網格之後，經過分束器組成的干涉儀，最終分別在哪些出口被探測到，記錄下來，就是一個採樣。積累之後，光子數也會有一個分佈。每一種採樣結果都對應一個概率。全部可能的採樣結果就構成輸出態的態空間。見下圖， 左圖示出原理， 右圖示出九章實驗的結果。

圖-2：左圖，“九章”實驗的原理圖，光子干涉網絡和結果分佈的示意圖。右圖，最終探測到的光子數分佈。這高斯分佈橫軸最高的數目是76個光子。

與利用硅處理器構建的傳統計算機不同，“九章”機器（該文稱他們的高斯取樣裝置為九章機器）是一個由激光器、反射鏡、稜鏡、分束器和光子探測器組成的精密桌面裝置， 見下圖。

圖片圖片

圖-3：“九章”量子計算原型機光路系統原理圖（上圖）：左上方激光系統產生高峯值功率飛秒脈衝；左方25個光源通過參量下轉換過程產生50路單模壓縮態輸入到右方100模式光量子干涉網絡;最後利用100個高效率超導單光子探測器對干涉儀輸出光量子態進行探測 製圖：陸朝陽 彭禮超。下圖是實際裝置的照片。

《科學美國人》月刊網站12月3日報道給出如下描述（附件4），“九章”的運行從一束激光開始，這束激光被分成若干束，去打擊25個由磷酸氧鈦鉀製成的晶體。每一個晶體被擊中後，它會可靠地向兩個相反方向吐出光子。然後這些光子被送入光量子干涉網絡的100個輸入端，在那裏它們快速穿過一條由300個稜鏡和75面反射鏡組成的路徑。最後，這些光子落在100條狹縫中，並在那裏被探測到。實驗運行的平均時間為200多秒，中科大團隊在每次運行中平均探測到大約43個光子。但在有一次運行中，他們觀測到76個光子”。

03

是物理實驗還是量子計算？

要評析該文章的結論，我們首先要搞清楚兩個核心問題，這篇SCIENCE文章中描述的過程，究竟是物理實驗過程，還是是量子計算過程？相應裝置是光學實驗設備，還是量子計算機？

物理實驗與計算機計算的區別是：在物理實驗中，在初條件給定後，各個中間物理過程以及結果都是真實自然發生的。而在計算機模擬計算中，這些中間過程都是利用對相應的物理定律的數學描述，用數學方法計算出來。這種計算，需要給出中間過程某一時刻的所有有關數據，才能計算下一時刻的狀態。由於對於相應物理規律認識的侷限性，又由於計算機條件的限制，數值模擬計算很難精確再現自然。例如兩個真實的小球相碰的實驗。給定兩個小球的初速度，碰撞後自然彈開，可以測量實驗結果，兩個球的末速度。但是在數字計算過程中，需要計算小球的質量、入射角度、速度、小球表面弧度、硬度，碰撞時表面的壓縮過程等等，然後才能計算出小球碰後的狀態。

我們看到，兩者的差別是明顯的。物理實驗是真實發生的物理過程，而計算機的模擬計算是根據相應物理規律的數學描述通過計算再現相應物理過程。再精確的數值模擬結果，都不是客觀真實發生的。

“SCIENCE”文章報道的“高斯玻色取樣”（Gaussian boson sampling）的物理實驗中，各個中間過程中，都是真實發生的物理過程，這些物理過程都是“玻色取樣”要求的。最後模擬的結果（見圖-2 右圖的分佈）是真實物理過程的統計。整個過程沒有引入任何基於物理規律的計算。這顯然是一個物理實驗過程，而不是任何計算過程。用真實的光學實驗實現了“高斯玻色取樣”問題的要求，實驗直接給出了結果，沒有任何常規和量子的計算介入。這一光學實驗，可以看做是光量子模擬實驗，與量子計算機的數值模擬計算沒有任何關係。

量子計算與量子模擬的區別早有明確的定義，見附件-7第九段。該文定義，“量子計算機的功能是數值量子模擬裝置（“digital” quantum simulator），而模擬量子模擬裝置（“**og” quantum simulators）是一個可定製的系統”。“一個通用的量子計算機應該有高度的適應性，能夠有效模擬任意合理的物理系統，而模擬量子模擬裝置有內在的限制”。後者應該是專用的。九章機器是量子模擬器，而不應該叫做量子計算機。但是，有時，人們稱呼顯示某些給出數學問題的解的量子模擬裝置為“計算機”，但是這只是一種約定俗稱的稱呼。例如，圖-1 右圖顯示了真實的很多黃色小球放入高爾頓板導致的分佈，這是這是真實的實驗，而不是計算出來的。然而，附件-6 ，Figure 1（就是本文圖-1，高爾頓板問題的左圖）的説明，稱高爾頓通板就是一個簡單的“計算機”。

注意， 這裏是帶引號的計算機，應該是一種非正式的稱呼，需要明確表示出來，不然，就混淆了數值計算機與模擬裝置的概念。雖然模擬給出了數學問題的解， 但是沒有計算功能的裝置，不能稱為計算機。

實際上“SCIENCE”文章正文明確認為他們所做的是實驗，而不是計算。該文用下面的句子開始描述“九章”機器，“We name our GBS machine Jiuzhang. We start describing the experimental results from…”, （我們把我們的GBS機器名為“九章”， 我們從…… 開始描述實驗結果）。這表明，“九章”機器是用來做實驗的。該文也明確表明他們的結果是“實驗結果”（experimental result）；“實驗確認”（Experimental validation）的結果。例如， Fig3 的説明：

圖-4， SCIENCE 文章中Fig. 3 的説明。4次用“實驗”來描述他們的結果。

該“SCIENCE”文章的這些描述，與人們的理解是完全一致的。在“SCIENCE”文章描述的“高斯玻色取樣”的實驗中，光子經歷的都是實際的物理過程-光子干涉，沒有任何計算結果介入。在任何意義上説，測到的76個光子都是真實存在的，不是計算出來的。這套設備可以説是“玻色取樣”專用物理實驗模擬機，絕對不是量子計算機。

但是，該SCIENCE文章出現了自相矛盾的觀點。 雖然該文認為所獲得的結果都是實驗得出的結果，但是該文標題是“用光子進行量子計算的優越性”。該文摘要強調，該文設備是光子量子計算機，該文結果是這台計算機產生的。該文摘要指出：“The photonic quantum computer generates up to 76 output photon clicks”，（這台光子量子計算機產生了最多76個輸出光子）。這裏， 人們不理解， 既然這76個光子是觀測到的真實的光子，他們怎麼可能通過量子計算產生？

圖-5. SCIENCE 文章的標題和摘要

人們不明白，“The photonic quantum computer”（這台光量子計算機） 的含義。摘要中出現的這一名詞是全文唯一的出現。該文對於這一名詞沒有任何解釋。該文以這樣一個定冠詞-“The”-開頭的詞組（這光量子計算機）來“定義“這一套光學設備就是量子計算機，不符合人們通常的語言表達邏輯，或者説不符合語法。通常在“The”-開頭的詞組出現之前，需要有説明或者定義。這裏需要説明，量子計算機的概念和定義，現有的設備符合這一定義的要求，因而説這些設備是量子計算機。該文沒有任何説明，武斷給出這光量子計算機一詞。根據這一不符合邏輯的“定義”，“九章”機器就是“九章”量子計算機了，“高斯玻色取樣”的實驗就是量子計算了。違規使用這個定冠詞就把“實驗”與“計算”混淆起來了。科學家可以造出普通人不懂的新詞彙，但是科學家不能改變通常語言的習慣和含義。

什麼是“實驗”，什麼是“計算”， 人們有着通常的理解，沒有“計算”功能的機器就不能説是“計算機”。當然， 將來的量子計算機，可能將是由一套光學設備組成， 由光子在複雜光路中運行來完成計算任務。但是光子在計算機中所經歷的物理過程應該與計算任務要描述的物理過程沒有關聯。也就是説，計算機是通過計算來求得解答的，而不是通過直接的實驗來求得解答，後者是專門物理模擬實驗設備，而不是計算機。就像電子在電子計算機半導體器件中經歷的物理過程與計算機計算的課題沒有關聯一樣。如果給的計算任務是模擬計算雞蛋的生成過程，不能找一個雞下個蛋就算是解答問題了，更不能定義這母雞下蛋過程就是計算過程，不能定義這母雞就是計算機。

04

與超級計算機速度的比較有意義嗎？

既然SCIENCE文章獲得的結果來自於實驗，那麼將實驗獲得結果的速度與超級計算機數值模擬的速度比較有沒有意義？

該SCIENCE 文章在摘要中強調“這電子計算機給出的採樣率比頂尖水準的模擬方法和超級計算機要快10^14 倍”（The photonic quantum computer…… a sampling rate that is ~10^14 faster than using the state-of-the-art simulation strategy and supercomputers）. 下圖是該文給出的對於輸出不同數目的光子的實驗的比較結果。但事實上，這一速度的比較是沒有意義的。

圖-6，“九章”相對於太湖之光的優勢比較根據目前最優的經典算法，“九章”花200秒採集到的5000個樣本，如果用我國的“太湖之光”，需要運行25億年，如果用目前世界排名第一的超級計算機“富嶽”，也需要6億年。這樣的優勢十分明顯。我們可以等效地對比去年穀歌發佈的53比特量子計算原型機“懸鈴木”：對於“懸鈴木”來説，200秒完成的任務，超算Summit需要2天，考慮Summit和富嶽的算力差距，“九章”等效地 比“懸鈴木”快100億倍。

從一般邏輯思維來看，人們只能在相同的計算任務的情況下，才能比較兩個計算機的計算快慢。通常要比較兩輛汽車速度的快慢，他們必須跑相同的路線。所謂量子計算的計算能力超過經典計算機的計算能力，是指對於明確給出的數據、和清晰的計算過程的計算的比較。像玻色取樣的實驗不是適合比較的課題，因為其中間過程中每個節點的光信號的變化，都是自然干涉的結果，都是客觀物理過程。而數字計算機需要根據物理規律計算來描述這些物理反應的過程，因而費時而且難以得到精確結果。“九章”機器通過物理過程來實現的速度，是物理模擬實驗的速度，不能與任何計算機數值模擬的速度比較（附件-3）。計算機數值模擬很快發生的真實的物理過程需要很長的時間，是一個大家都知道的普遍現象。例如，模擬核彈爆炸，超級計算機要計算很長時間，但是真正的核彈爆炸生成爆炸參數就那麼一瞬間。比較核彈爆炸時間與用超級計算機進行數值模擬所需要的時間沒有意義。兩者不是同類事物。

SCIENCE 文章的這種比較，沒有意義。因為SCIENCE 文章所描述的設備（九章機器）不是量子計算機，既不能存儲也不能計算。那是一台“玻色取樣”專用光學實驗模擬設備。把光學實驗設備的實驗時間，與超級計算機的數值模擬速度比較，是沒有意義的。別説快多少倍， 就算一比一的時間，或者不計時間，九章機器也完成不了目前超級計算機甚至一般計算機所能完成的最簡單的計算任務。不是九章機器沒有能力， 只是這種比較是沒有意義。

Aaronson and Arkhipov (2011) （見附件6）提出“波色採樣” 的任務。該文提出要尋找一個量子系統，比通用量子計算機更接近實驗實際的量子系統，但是該系統很難被經典模擬描述。該文提出了一個關於光子產生和運動的數學模型。該文證明， 該模型描述的正是這樣一個系統。對於該系統（模型）即使近似和粗略的經典模擬都會瓦解。這樣就能顯示量子世界的複雜性。但是，該文給出的只是一個理論，不需要量子光學知識。該SCIENCE文章的實驗，在前人實驗的基礎上，更好的實現了Aaronson, and Arkhipov (2011) 提出的“玻色取樣”量子模擬系統。雖然不是量子計算機，但是根據Aaronson, and Arkhipov (2011) 的證明，實現了“玻色取樣”，就表明量子系統的複雜性不是經典系統能夠模擬的。潘建偉團隊的設備雖然不是通用量子計算機，但是能夠顯示量子系統的複雜性，這使得學術界是在認識上前進一步。

05

結論

Zhong et al., Science 10.1126/science.abe8770 (2020) 報告了一個最先進的實驗，人們 夢寐以求的實驗，和技術挑戰非常巨大的實驗。但是該文的表述，混淆了“實驗”與“計算”的 概念，該文提出的看法：“其用光子做的實驗就是量子計算， 比起當代超級計算機有優越性”， 引起爭議。本文認為其光學實驗與量子計算無關，其實驗設備不是量子計算機，不能與電子計算機比較， 不能顯示量子計算的優越性（霸權）。

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