谷歌团队和以色列数学家质疑中科大团队“量子优越性”

最近，小伙伴们想必被一则《中国科学家实现量子优越性，量子计算原型机“九章”问世》的新闻刷了屏。中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队与合作单位构建了最多76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了“高斯玻色取样”(Gaussian BosonSampling)任务的快速求解，比目前最快的超级计算机快一百万亿倍。或者说，“九章”200秒完成的任务，超级计算机需要25亿年。

“九章”量子计算原型机

（图源：中国科学技术大学网站）

量子计算机是美国物理学家费曼(Richard Feynman)和苏联数学家马宁(Yuri Manin)在八十年代提出的一个概念。在某些特定问题上，量子计算机的计算速度理论上应该远超当今大家使用的经典计算机。最著名的例子就是现任教于麻省理工学院的数学家绍尔(Peter Shor)提出的快速分解质因数的Shor算法，一旦能够在足够强大的量子计算机上实现，就可以攻破目前广泛使用的RSA公钥密码，我们所有人的银行账户将不再安全。正因为如此，量子计算机是当前各大国政府和IT巨头的研究重点，投入了海量资源参与竞争。近年来，多个量子计算原型机被制造出来，让量子计算机不再是早年刚提出时那种镜花水月的状态。

麻省理工学院数学系教授绍尔

（图源：nature.com）

加州理工学院的物理学家普里斯基尔(John Preskill)在2012年提出了“量子霸权”(quantum supremacy)这一概念，指的是在某一个节点，量子计算机能在特定的问题上超越经典计算机能够达到的极限，建立起令经典计算机难以企及的优势。普遍认为，一旦量子计算机操控的量子比特达到50个左右，“量子霸权”就能够实现。很多人并不喜欢“量子霸权”这一名词，而代之以quantum advantage，译为“量子优势”或者“量子优越性”，见《IBM驳斥谷歌，量子霸权 VS 量子优势，量子计算离我们还有多远？》。

普里斯基尔(右)是霍金的好友。他们曾就黑洞问题打赌，霍金输给了普雷斯基尔一套棒球百科全书。

（图源：Getty Images）

2019年，马丁尼斯(John Martinis)领导的谷歌团队率先宣布实现了“量子霸权”。他们制造了一台可编程的量子计算原型机“悬铃木”(Sycamore)，能够操控53个量子比特。对于运行随机量子线路进行采样这一任务，悬铃木能在200秒内完成最强大的经典计算机需要1万年才能完成的工作。然而IBM团队对谷歌团队是否真的在这个特定任务上实现了“量子霸权”提出了质疑（见《谷歌宣称首次实现量子优越性，IBM“不服”，中国同行咋看？》）。他们指出，如果采用效率更高的算法，那么在经典计算机上只要用两天半就可以完成同样的任务。虽然还是比量子计算机慢很多，但差距没有那么明显，没有达到被降维打击的程度。毕竟，为了完成那200秒的计算，需要投入的人力物力和时间可能是使用经典计算机的百倍。对此，谷歌团队的回应是：有本事你就做出来，别光说不练。(见《Martinis为啥离开Google了？》。) 一年过去了，IBM团队始终没有进一步的回应，业界似乎已经默认谷歌团队的确实现了量子霸权。

谷歌量子计算团队原负责人马丁尼斯。他已于今年4月因内部倾轧而愤然辞职。

（图源：wired.com）

最近中科大团队宣布实现“量子优越性”或者“量子霸权”，是人类的第二次，具有重要意义。中科大团队的论文发表在《科学》杂志上，中外媒体纷纷报道，包括普里斯基尔在内的许多业内专家都在第一时间对他们表示祝贺。“玻色采样”的提出者之一，也是中科大团队论文的审稿人之一，得克萨斯大学奥斯汀分校的阿伦森(Scott Aaronson)教授在他的个人博客上发表长文，详细介绍这一工作。

阿伦森夫妇都是得克萨斯大学奥斯汀分校计算机系教授

（图源：cs.utexas.edu）

在网络上也出现了许多质疑中科大团队工作的声音。在小编看来，大部分此类质疑都是外行观点，不值一驳。例如有个颇有影响的公众号撰文说中科大团队的量子计算机只是硬件蒙特卡洛模拟，不是量子并行计算。那篇文章写得貌似有些道理，然而同一个作者几天前写过一篇文章说康托(Georg Cantor)用对角线法则给出的实数集不可列的证明是错误的，还写过一篇文章说利玛窦(Matteo Ricci)的拉丁语发音是欧几里得(Euclides)，这种逻辑思维能力实在让人无力吐槽。

当然，并不是所有质疑都来源于民科。以色列数学家和计算机科学家卡莱伊(Gil Kalai)在其个人博客上发表一篇文章，提出了一个跟IBM团队对“悬铃木”一样的质疑，就是用经典计算机可以比中科大团队所预想的更容易地解决“高斯玻色取样”的任务。早在2014年，卡莱伊就跟合作者发表论文，提出一种很简单的方法来完成近似玻色取样，然而一直没有人在经典计算机上实现他们的方法。因为计算总会有噪声，所以近似取样在实际运用中已经足够了。如果用经典计算机可以在几天内完成76个光子规模的近似玻色取样，那么就很难说中科大团队在这一问题上实现了量子优越性。

卡莱伊博客文章截图

（图源：gilkalai.wordpress.com）

卡莱伊是耶路撒冷希伯来大学和耶鲁大学的数学与计算机教授。他曾获得过多项业内大奖，并在2018年国际数学家大会上作以量子计算为主题的全会报告。他是一个著名的“量子霸权”怀疑派。他的观点是，由于量子计算机本身的限制，例如噪声、纠错等等，量子霸权可能永远无法实现。具体到玻色取样这个任务，卡莱伊认为用10个以上光子进行玻色取样是无法实现的。他曾经把埃尔德什(Paul Erdős)的一个比喻修改后用在这里：如果外星人要求我们用5个光子实现玻色取样，完不成就毁灭地球，那么我们就会把所有的量子计算能力拿来力图实现5个光子的玻色取样；如果外星人的要求是用10个光子，我们就不要想别的了，跟外星人决一死战吧。然而，中科大团队的工作是43个到76个光子规模的玻色取样，这无疑会让卡莱伊感到尴尬。

卡莱伊在2018年国际数学家大会上作全会报告

（图源：impa.br）

不管怎么说，卡莱伊的质疑并非无的放矢。阿伦森随后更新他的博客，承认这确实是他审稿时的失误(having failed to flag this potential issue when I reviewed the paper)，需要进一步研究。据阿伦森透露，谷歌团队也提出了同样的问题。(小编没有查到谷歌团队在什么地方提出了这个问题，希望有业内人士告知。顺便说一下，在谷歌上搜索google quantum computer team，得到结果第一条是Quantum Computing at IBM的广告，见下图。这算是相爱相杀吗？)

对于谷歌团队和卡莱伊的质疑，其实中科大团队可以采用谷歌团队回应IBM团队的话：有本事你就做出来，别光说不练。这个回应对于卡莱伊来说有些强人所难，因为他只是一个大学里的理论家，没有足够的资源来使用超级计算机验证自己的想法；但谷歌团队完全有这个能力。希望有专业团队能够跟进，让这一问题有更明确的答案。

公正地讲，卡莱伊这样的怀疑派，或许经常给同行们泼冷水，但却是学科发展历程中不可缺少的。毕竟，新的科学发现总会受到不断的质疑，并在回复质疑的过程里逐渐完善。

著名物理学家泡利(Wolfgang Pauli)就是一个怀疑派，经常用尖刻的语言批评同行的工作。他被称作“上帝的鞭子”、“物理学的良心”。

（图源：medium.com）

注：小编感谢一位业内专家阅读初稿并提出许多宝贵的修改意见。

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