2020年12月，中國科學技術大學（以下簡稱「中國科大」）潘建偉團隊在【科學】（Science）期刊發表題為「利用光子實作量子計算優越性」（Quantum computational advantage using photons）的研究論文。該工作受到了幾乎所有知名國際科技媒體的報道，在推特上閱讀量超過600萬，也在國內引發了熱議。
其中，空間物理學專家、北京大學塗傳詒院士多次在公眾號發表質疑文章。此外，網路上也出現了諸多科學愛好者的各種評論。為了澄清相關概念，提供一個開放的科學討論平台，「墨子沙龍」、「知識分子」聯系了塗院士獲得了其質疑文章的轉發許可權，並邀請了 陸朝陽 和 潘建偉 教授就相關疑問進行回復，一並刊登，以饗讀者。
原文標題：「九章」作者對塗傳詒先生等若幹網路評論文章的回復
作者：陸朝陽、潘建偉
構建「九章」光量子計算原型機並實作量子計算優越性的論文正式發表後 [1] ，短短時間內在美國【科學】網站的全文閱讀量已經達到26萬次。這個工作不僅吸引了量子計算領域同行的廣泛關註，也引發了其他領域學者和社會公眾的興趣。
例如，研究「空間物理學、太陽風亂流、太陽風動力學與日球層物理」的北京大學塗傳詒院士多次在公眾號發表質疑文章，長期多次來信與我們交流，並行函至中國科學院發表意見。塗傳詒院士主要有兩個質疑：
- 「九章」不是量子電腦，沒有實作量子計算優越性。 [2]
- 「九章」論文和中國科大的新聞稿使民眾誤認為實作了通用量子電腦。 [3]
筆者非常感謝塗先生對我們工作的關註，對於他的質疑，我們給出如下回答：
- 根據量子資訊領域國際學術界長期確立的定義和共識，「九章」毫無疑問是光量子電腦。根據嚴格的計算復雜度證明、實驗數據論證、國際評審以及廣泛的同行評價，「九章」在目前最好的理論框架下，明確無誤地實作了量子計算優越性。
- 「九章」論文和中國科大的新聞通稿都清楚地表明了「九章」實作了量子計算三個裏程碑中的第一個裏程碑「量子計算優越性」。凡是認真閱讀過九章論文和新聞稿的讀者，都不會誤解「九章」是通用量子電腦。
結合其他流傳的網路評論文章，筆者分析了引起質疑的原因，認為可能是由於塗先生和部份科學愛好者對於量子計算和玻色取樣的專業概念的理解存在偏差。對此，我們在如下回復中進行了詳細闡述。
國際學術界對於「量子電腦」的定義和詞匯使用
2010年，六位在不同物理系統上（光學、超導、離子阱、固態等）研究量子計算的資深專家在【自然】（Nature）雜誌上發表了題目為「Quantum computers」（量子電腦）的綜述論文[Nature 464, 45 (2010)]，文中第一句話就定義了量子電腦：「量子電腦是一個利用多粒子量子波函式的復雜性來解決計算難題的機器。」（「a quantum computer: a machine that would exploit the full complexity of a many-particle quantum wavefunction to solve a computational problem.」）維基百科（quantum computing 詞條）上對量子計算的定義為：「量子計算是指利用相幹疊加和纏結等量子現象來執行計算。」（「Quantum computing is the use of quantum phenomena such as superposition and entanglement to perform computation.」）在這一定義下，「量子電腦」已經被國際學術界長期使用。
據不完全統計，1998年以來（當時量子計算實驗技術剛剛起步，只能做兩個物理位元和最簡單的實驗演示），包括David J. Wineland（因為量子計算等獲得2012年諾貝爾物理學獎）、Peter Zoller（2013年沃爾夫物理學獎）、Anton Zeilinger（2010年沃爾夫物理學獎）、Rainer Blatt（美國科學院院士）等在內的國際量子計算研究先驅在他們利用原子、離子、核磁、光子等開展量子計算實驗研究的文章題目中就已經醒目地使用「quantum computer」（「量子電腦」）一詞。列舉幾個例子：
●Hansen, et al. Implementation of a quantum search algorithm on a quantum computer. Nature 393, 344 (1998).
●Wineland, et al. Experimental Primer on the Trapped Ion Quantum Computer. Fortschritte der Physik, 46, 363 (1998).
●Blatt, et al. Implementation of the Deutsch–Jozsa algorithm on an ion-trap quantum computer. Nature 421, 48 (2003).
●Zeilinger, et al. Experimental realization of Deutsch's algorithm in a one-way quantum computer. PRL 98 140501 (2007).
●Blatt, et al. Deterministic entanglement swapping with an ion-trap quantum computer. Nature Physics 4, 839 (2008).
●Zoller, & Blatt, et al. Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer. Nature 534, 516 (2016)。
「九章」論文經過正常的國際同行評議，發表在【科學】期刊上。論文的摘要裏就明確指出「The photonic quantum computer, Jiuzhang, generates up to 76 output photon…」（這一光量子電腦，九章，產生了高達76個輸出光子……）。所以，塗先生說的「量子電腦這一說法沒有出處」顯然與事實不符。
綜上，「九章」光量子電腦這一名詞的使用完全符合國際學術界長期建立起來的規範和標準的定義。
「九章」實作量子計算優越性的科學意義
「九章」的最重要科學貢獻是首次顯示了基於光子的量子電腦在特定問題求解方面超越了最強大的超級電腦（根據目前最好理論，快一百萬億倍），使中國首次利用光子體系達到量子計算優越性裏程碑。在現代科學高度細化的今天，即使是同一個大領域的學者也無法很快詳細了解一個子方向的細節和物理意義。因此，現代科學的通行規則是由專業的小同行來進行學術評價。 「九章」的文章題目是「Quantum computational advantage using photons」，就清清楚楚地宣稱了「利用光子實作量子計算優越性」，這一宣稱是經過嚴格的國際同行的匿名評審的。 「九章」論文線上發表三個月，這一宣稱已被包括來自哈佛、普林斯頓、史丹佛、牛津、耶魯、MIT、NIST、ETH以及谷歌、微軟、IBM等單位的國際同行正面參照90余次（Google Scholar）。這裏僅舉幾個同行評價的例子（更多材料請見文後附件）：
● 來自哈佛大學、麻省理工學院、英國帝國理工學院、加拿大多倫多大學、新加坡國立大學等的15名國際知名學者應邀為【現代物理評論】（Reviews of Modern Physics）謄寫的預印本論文中（arXiv:2101.08448，第4頁），提到「除了谷歌之外，另外一個量子計算優越性實驗由潘建偉小組完成，他們利用‘九章’光量子電腦完成了高斯玻色取樣任務」（「An additional quantum advantage experiment was carried out by Jian-Wei Pan’s group using a Jiuzhang photonic quantum computer performing Gaussian boson sampling (GBS) …」）。
● 瑞典皇家理工學院的Val Zwiller教授在【Advanced Photonics】期刊發表評述文章，評價：「在超導和光子系統中實作量子計算優越性可以被看作是第一個人造衛星Sputnik時刻，如同20世紀的太空競賽一樣，量子競賽正在形成，而新技術將釋放巨大的優勢。主要的套用還有待發明，就像在Sputnik時代，全球衛星定位系統GPS還沒有被設想過一樣。」（「Demonstrations of quantum computational advantage in superconducting and photonic systems can be seen as a Sputnik moment where, much like for the space race in the 20th century, a quantum race is taking shape where new technologies will unleash massive advantages. The main applications remain to be invented, much like the GPS had not yet been imagined in the days of Sputnik.」）Sputnik是蘇聯發射的首顆人造衛星，預示了太空時代的開始。雖然Sputnik沒有實用的功能，只會繞地球旋轉發出周期性的「嗶嗶」的聲音，但是它首次展示了人類探索太空的能力。
● 麻省理工學院教授Dirk Englund在接受媒體采訪中評價：「這是一個劃時代的成果。這是開發這些中型量子電腦的裏程碑。」（「This is a momentous result. It’s a milestone in development these intermediate scale quantum computers. 」）
綜上，根據國際專業評審以及廣泛的同行評價，「九章」在目前的理論框架下明確無誤演示了量子計算優越性，該工作的重要性獲得了國際學術界的高度評價。
國際科學媒體對「九章」的報道
「九章」論文發表之後，在【科學】網站的全文閱讀量已經達到26萬次（一般發表在【自然】和【科學】上的物理類論文全文閱讀量同期平均大約是三千次），在推特上閱讀量超過600萬，被包括【自然】、【科學美國人】、【新科學家】等在內的百余家國際科技媒體積極報道。舉幾個例子（全文和更多報道請見附件 [4] ）：
●【自然】新聞 – 中國物理學家向谷歌「量子計算優越性」發起挑戰：光量子電腦實作經典電腦永遠無法完成的運算。
（Nature News – Physicists in China challenge Google's 'quantum advantage': Photon-based quantum computer does a calculation that ordinary computers might never be able to do.）
●【科學美國人】– 光量子電腦超過全球運算最快的經典電腦。
（Scientific American – Light-Based Quantum Computer Exceeds Fastest classical Supercomputers.）
●【新科學家】– 測量光的量子電腦實作量子霸權。
（New Scientist – A quantum computer that measures light has achieved quantum supremacy.）
●【科學新聞】–「九章」新型光學量子電腦實作量子霸權。
（Science News – The new light-based quantum computer Jiuzhang has achieved quantum supremacy.）
中國科大的新聞通稿和科普努力
一方面，國際學術界和國際媒體廣泛使用「量子電腦」標題對「九章」進行了報道並給予了高度贊譽；另一方面，考慮到國內輿論環境、創新氛圍不同，部份領域的學者對於科技創新的新名詞可能抱有非常傳統和保守的態度，為了避免引起外界的過度解讀，中國科大課題組努力采取了更加中性的表述：
首先，為了避免論文被誤讀為容錯的通用量子電腦，「九章」論文前言明確指出：「 建造可以用來執行Shor演算法的容錯量子電腦還需要長期的努力 」（Building a fault-tolerant quantum computer to run Shor’s algorithm, however, still requires long-term efforts）。
其次， 盡管先前谷歌和媒體用了「量子霸權」（quantum supremacy）一詞來報道谷歌「懸鈴木」的工作，中國科大課題組為了 避免「量子霸權」一詞帶來的潛在的政治風險和不必要的炒作 ，在論文和新聞通稿中都采用了更中性的「 量子計算優越性 」（quantum computational advantage）一詞。
第三， 在新聞通稿中特意用了「 量子計算原型機 」（prototype）的稱呼，以此強調 還處於實驗室研究階段，離實用化還有距離 。
第四， 為了避免公眾和媒體誤讀為已經實作了通用量子電腦，新聞通稿特別給出了量子計算發展的三步走的裏程碑，並明確指出「九章」工作和谷歌的「懸鈴木」一樣是第一步，而容錯通用量子電腦是第三步。 釋出在中國科大主頁的新聞通稿相關闡述部份如下：
對於量子電腦的研究，本領域的國際同行公認有三個指標性的發展階段：(1). 發展具備50-100個量子位元的高精度專用量子電腦，對於一些超級電腦無法解決的高復雜度特定問題實作高效求解，實作「量子計算優越性」的裏程碑。
(2). 透過對規模化多體量子體系的精確制備、操控與探測，研制可相幹操縱數百個量子位元的量子模擬機，用於解決若幹超級電腦無法勝任的具有重大實用價值的問題（如量子化學、新材料設計、最佳化演算法等）。
(3). 透過積累在專用量子計算與模擬機的研制過程中發展起來的各種技術，提高量子位元的操縱精度使之達到能超越量子計算苛刻的容錯閾值（>99.9%），大振幅提高可整合的量子位元數目（百萬量級），實作容錯量子邏輯閘，研制可編程的通用量子計算原型機。
第五，在論文結果閉門介紹會上，中國科大邀請了部份媒體記者和課題組成員進行了當面交流，力求宣傳報道準確嚴謹。官方釋出的新聞通稿的科學解讀強調了三步走的裏程碑，明確指出該實驗是第一步。
第六，盡管做了上述努力，在復雜多變的資訊傳播過程中，依然不可避免地出現了一些對相關工作了解不夠的媒體和個人公眾號的過度解讀。 中國科大課題組一貫反對科技宣傳的浮誇風，為澄清相關科學概念，課題組成員潘建偉和陸朝陽主動參加了「知識分子」等媒體組織的線上直播 （點選量超過兩百萬） ，以科學積極的態度回應公眾和經典計算領域相關專家的爭議 。
如上所述，量子電腦是量子力學誕生之後國際學術界形成的對計算的更深刻的定義，是被國際同行廣泛認可的。線上上直播中，為了更好地向經典計算領域的專家解釋相應部件的原理，如果非要套用經典電腦的定義，課題組成員借用了更加細化的稱呼「專用量子電腦」、或者和CPU（經典電腦的核心：中央處理器）對應的QPU（「量子處理器」）。顯然，這些說法絲毫不削弱工作本身的重大科學意義，也不應該被斷章取義。
質疑文章對部份專業概念的理解偏差
對量子計算和玻色取樣的理解存在偏差
在多篇公眾號文章中，塗先生的一個主要觀點是：「九章」解決的玻色取樣不是計算過程，因而不能顯示光量子計算的優越性。首先，如前所述，根據國際學術界長期建立的對「量子電腦」的科學定義和廣泛使用，「九章」毫無疑問是光量子電腦。其次，關於「玻色取樣」這一抽象問題的理解，塗先生的主要理解偏差在於認為它「不能求解任何事先給定的數學問題」、「不是對任何事先給定的數學函式給定的輸入值為求輸出值而設計的。玻色采樣是相幹子透過光子幹涉儀的物理實驗，輸入光子是非高斯分布，而輸出光子是高斯分布。」
確實，非本專業的學者希望在很短時間內理解抽象的玻色取樣參考文獻（包括110頁的包含大量數學推導的Aaronson-Arkhipov 2013原始論文）是比較困難的。事實上，
（1）玻色取樣是一個非常清晰定義的有輸入輸出的計算過程：給出一個事先給定的 N\times N 的么正矩陣，計算任務就是由經典電腦和量子電腦給出和該矩陣的積和式(Permanent)相關的輸出樣本（可參閱牛津大學課題組發表的Science 339, 798 (2013)論文的第三段）。計算積和式是一個典型的#P-hard問題，隨問題規模變大需要指數量級的計算時間。
（2）正因為玻色取樣是一個定義清晰的數學問題，因此被國際學術界公認為是用來證明量子計算優越性的理想演算法，如2017年發表在Nature 549, 203-209的文章「量子計算優越性」(Quantum computational supremacy)所大篇幅論述和明確指出的。
（3）塗先生對非本專業的量子光學概念存在一些誤解，例如，玻色取樣輸入的不是「相幹子」（否則計算過程就變得非常簡單了），而是非經典的全同單光子或者壓縮態，輸出光子也不是「高斯分布」，而是由該矩陣積和式決定的一個復雜分布。
塗先生和部份科學愛好者吐槽：「九章1+1=2都算不了。」
透過調節硬體設定，「九章」很容易可以計算1+1=2，但是這無異於殺雞用牛刀。事實上， 塗先生和少數網民指出來的是15年前領域的發展水平 。
2005年，中國科大研究組首次實作了獨立光子之間的非破壞性控制邏輯非門CNOT（PRL 94, 030501），利用CNOT就可以實作加法器。2007年，在此基礎上，研究組演示了最簡單的大數分解演算法例子，把15分解為3乘以5（PRL 99, 250504），該工作被美國物理學會、【新科學家】等報道，入選了「中國基礎研究十大進展」和「中國高校十大科技進展」。這些工作是國際上最早利用光子位元開展的通用量子計算研究。但是，如新聞通稿裏面路線圖指出的，這個方向還需要長期努力，做到幾百萬個高保真度量子位元才能體現量子優勢。所以，量子計算領域的專家一直在設計更巧妙的計算路徑。「九章」就是其中一種。
量子計算研究的核心目的是，對於一些經典電腦難以求解的問題，利用量子疊加和纏結的原理，提供新型高效的解決方案。量子電腦面向的任務不是簡單的加減乘除、文字輸入等，而是高復雜度的大數分解、量子化學、面向大數據的人工智慧等。例如，「九章」用來解決的是高斯玻色取樣這一和計算復雜度理論中的「#P-hard」相關的難題，並由此為排除「擴充套件丘奇-圖靈論題」提供了實驗證據。為了更便於理解，我們舉一個貼近生活的例子。如同量子電腦的研究是為了解決傳統電腦難以求解的問題，汽車、飛機和火箭的產生也是為了突破先前傳統交通工具難以企及的界線。但是， 人們不會追求「大而全」而要求飛機要載人散步爬樓梯 ，等等。
另外，對於民科臆想的一些駁倒「九章」的令人啼笑皆非的點子，諸如用手電筒在裝滿鏡子的屋子裏亂照一通來超越經典電腦、用大型高爾頓板來超越經典電腦，感興趣的讀者可以參閱中國科學院科學傳播研究中心副主任袁嵐峰的一篇科普文章（量子電腦不是電腦？鍵盤俠們會對美國這樣說嗎？）。
明顯地，根據嚴格計算復雜度證明、實驗數據論證、國際評審以及廣泛的同行評價，「九章」量子電腦在目前最好的理論框架下，明確無誤地實作了量子計算優越性。 事實上，對於嚴肅的學術質疑，已經有標準的國際規範，如果有不同的見解，任何人都可以往Science投稿一篇Comment學術論文，進行同行評審，引起量子計算學術界的關註。例如，谷歌於2019年利用超導量子計算芯片「懸鈴木」實作量子計算優越性的論文就曾被IBM、阿裏巴巴，以及最近中科院理論物理所的同行評論，相關學術論文釋出在arXiv，以嚴謹的論證和演算法創新極大地挑戰了谷歌的實驗。到目前為止， 「九章」實驗沒有受到正式的專業的小同行的嚴肅質疑 ，這也使得部份國際專家認為 「九章」是目前唯一保持量子優越性的工作 。
中國科大研究團隊非常歡迎嚴謹科學的學術質疑，正如新聞通稿寫的：「研究人員希望這個工作能夠激發更多的經典演算法模擬方面的工作，也預計將來會有提升的空間。量子優越性實驗並不是一個一蹴而就的工作，而是更快的經典演算法和不斷提升的量子計算硬體之間的競爭，但最終量子並列性會產生經典電腦無法企及的算力。」
後記：名字重要？還是解決問題能力重要？
最後，筆者覺得，叫什麽名字是不重要的，重要的是能幹什麽。套用一句名言： 「解決問題的能力是評價量子計算的唯一標準。」 對於廣大民眾，想要了解科學，要有科學的思維，一定要分辨清楚科學關心的是什麽？對於量子計算來說，我們關心的是有沒有超越人類當前操縱物質世界的能力？能不能更高效地算清楚更多的東西？造出一個利用全新的原理允許的計算裝置，並具備超越經典電腦解決問題的能力，是核心科學目標。如果非要咬文嚼字，很多科技創新就會陷入被舊認知口誅筆伐的境地。 太空飛船一定要是在水裏遊的船嗎？機器「人」一定要按照原來的「人」的標準來定義嗎？原子「彈」非要遵循常規子彈的條條框框嗎？分子「馬達」必須長得符合普通大眾對馬達的固有印象嗎？
筆者再次感謝塗先生對我們工作的關心和對我們實驗的高度評價。正因為我們非常敬佩他認真的態度，本著求真的精神，我們也非常認真地指出他並沒有完全理解該實驗涉及到的量子計算知識。當然，這是非常正常和普遍的現象。 回顧科學發展史，包括量子力學在內的許多新概念和技術在其產生的初期，都不被包括許多知名科學家在內的學界和公眾理解，而往往都需要一定的時間才被逐步接受和廣泛認可。量子資訊科學從本世紀初在國內甚至被認為是偽科學，到目前成為幾乎所有已開發國家的重大戰略，該領域也是一直在質疑聲中不斷成長和被接受。在這個過程中，中國已經逐步取得了在量子通訊領域領跑和在量子計算領域並跑的公認的國際地位。我們會繼續充滿著極大的感恩、耐心和信心，努力取得更好的成績回饋社會。
參考
- ^ Quantum computational advantage using photons；中國科學家實作「量子計算優越性」裏程碑 https://news.ustc.edu.cn/info/1055/73418.htm
- ^ 雜談｜是量子計算，還是光學實驗？（微信公眾號「pku空間所」，2020-12-21） http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI5NDE0NTQ0NA==&mid=2653315319&idx=1&sn=afe38238287ad7aefeb69255da014bee&chksm=f7b59c3cc0c2152a150b251af6d9f88cf1ac911d150d1f47f5d4dcdc281876146c6aa1604054&scene=21#wechat_redirect
- ^ 對「九章-光量子電腦」 的理解 （微信公眾號「pku空間所」，2021-3-11） http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI5NDE0NTQ0NA==&mid=2653315570&idx=1&sn=b2c5fc87a71405f824f0817cfc1b2a33&chksm=f7b59d39c0c2142f0904ee920fb99f3e55a9e6ed2c0af48d6d8f1d6efb709e9b8ad0eba6eebe&scene=21#wechat_redirect
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