中国量子计算原型机“九章”问世，外国专家披露背后趣事

【文/观察者网 童黎】给领先全球的科研成果取名“九章”，中国科学家再次玩起“中式浪漫”，既纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》，也致敬过去20年的努力。

观察者网注意到，中科大潘建伟院士的量子计算原型机研究团队中，既有28岁当上教授的中坚力量，也不乏97年的后生。

而为《科学》杂志审核这篇论文的外国专家，还发文披露了与中国团队之间的有趣互动，感慨“这是迄今为止我写过最昂贵的审稿报告”。他同时对中国科学家寄来200只口罩，表示感谢。

图自新华网

快过“悬铃木”，“九章”后来居上

北京时间12月4日，国际学术期刊《科学》网站刊登中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作成果。

他们构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。

“九章”的厉害之处在哪儿？

2019年，谷歌推出53个超导量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学算法的计算效率远超当时世界最快的超级计算机，率先实现了“量子优越性”（quantum supremacy，国外也称之为“量子霸权”）。

而“九章”让中国成为了全球第二个实现“量子优越性”的国家，并且后来居上。

据新华社报道，高斯玻色取样是一个计算概率分布的算法，可用于编码和求解多种问题。当求解5000万个样本的高斯玻色取样问题时，“九章”需200秒，目前世界上最快的超级计算机“富岳”则需6亿年。

中科大新闻稿还指出，根据目前最优的经典算法，“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比超级计算机“富岳”快100万亿倍，等效地比谷歌的“悬铃木”快100亿倍。

同时，通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量，克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。

图自新华网

图自文汇网

不过，潘建伟团队的光量子计算机和谷歌的超导量子计算机实现“量子优越性”的途径不同，各有所长。

尤其，国际同行公认，量子计算机领域有三个指标性的发展阶段：发展具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑；将量子模拟机用于解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题，比如量子化学、新材料设计、优化算法等；研制可编程的通用量子计算原型机。

目前，“九章”刚刚帮助我国达成第一个里程碑，是一台专用型量子计算机，和“悬铃木”一样只能用来解决一个特定问题。而在图论、机器学习、量子化学等领域的潜在应用，将是“九章”后续发展的重要方向。

潘建伟今年表示，“希望能够通过15年到20年的努力，研制出通用的量子计算机，来解决密码分析、药物设计等很多非常广泛的问题。”

试验“太烧钱”、寄来200只口罩……美专家披露有趣互动

观察者网注意到，潘建伟团队可以说非常年轻。其中，80后的陆朝阳早在28岁时，就成为了中科大最年轻的教授。

另据《知识分子》披露，排在论文作者栏前列的钟翰森为95年出生，王辉是91年出生，陈明城90年出生，邓宇皓则生于97年。

视频截图

作为《科学》杂志的审稿人之一，美国得克萨斯大学奥斯汀分校广受尊敬的量子计算机科学家斯科特·亚伦森（Scott Aaronson），在“九章”论文发布当天，通过博客分享了他对这一研究成果的评价，以及他与中国科学家们的有趣互动。

亚伦森曾在麻省理工学院执教9年。更重要的是，他是高斯玻色取样的共同提出者。

博客文章截图

他认为，76个光子的量子计算原型机“九章”“达到并超过了经典超级计算机可以验证结果的极限”。

他说，一年前，这个研究小组刚刚宣布完成14个光子玻色取样任务。这是继去年谷歌成果之后，第二次实现“量子优越性”，也是第一次通过光量子而非超导量子比特实现，亚伦森对此感到“高兴”。

一直以来，耶鲁大学和耶路撒冷希伯来大学教授、数学家吉尔·凯拉伊（Gil Kalai）都对量子计算机和“量子优越性”持怀疑态度。“九章”官宣后，亚伦森在博文中特别点名了凯拉伊。

因为在2013年和2015年，凯拉伊曾在这个博客留下评论，说玻色取样规模永远不会超过8到10个光子：“如果外星人逼我们尝试，那我们唯一的希望将是攻击外星人。”

与此同时，亚伦森在文中欲扬先抑地表达了他看到“九章”后的感受。

亚伦森

因为不少专业人士提出，想通过玻色取样实现“量子霸权”是个死胡同，困难重重。尤其在谷歌首先借助超导量子比特验证“量子优越性”之后，亚伦森也不清楚还会不会有人做这种尝试。

“即使在一年前得知潘建伟团队的研究计划后，我还是持怀疑态度，想着等到看见论文，我就会相信了。”

至于谷歌在一年前就宣布了“量子霸权”，这个新实验的意义是什么？亚伦森表示，对他来说，“量子霸权”至少要验证两次才行。而且，这是首次通过光子证明“量子优越性”的可能性。最后，正如论文所指出的，与谷歌相比，新实验有一个很大的技术优势：输出态空间维数大幅提高，其能力是IBM此前为反驳谷歌成果所提出的经典计算机替代办法也难以做到的。

最后，亚伦森还讲述了两个有趣的背后故事。

他曾经问作者，为什么实验只验证到26-30个光子，超过这范围的就通过合理推断解释？因为现有的计算机应该能验证到40-50个光子。

几周后，作者回复说，他们现在已经验证了40个光子的结果，其间消耗的超级计算机运行时间价值40万美元，所以他们决定就此打住。

“这是迄今为止我写过最昂贵的审稿报告！”亚伦森开玩笑说。

博客文章截图

有意思的是，有网友在博文下留言称，更希望团队只验证26-30个光子的结果，这样其他人还能通过模拟30个光子以上的结果来提出质疑。

亚伦森回复并提醒网友，要是真有人想通过这样的方式提出异议，那么论文里还是有很多其他结果可供他方验证。

博客截图

也就是说，潘建伟团队给同行留下了验证“九章”实验结果的余地。即便可能与超级计算机验证“太烧钱”有关，但这也是一种自信。

另据文汇网报道，潘建伟团队通过与国家并行计算机工程技术研究中心合作，在超级计算机上对“九章”所获得的先期结果进行验证，从简单开始，直至复杂到超算难以胜任——如果少光子结果都可得到印证，那么同一个装置的多光子结果也将是可信的。

陆朝阳说，“10个、20个光子的时候，结果都能对得上，到40个光子的时候超算就比较吃力了，而‘九章’一直算到了76个光子。”另一方面，超算的耗电量太大，计算40个光子时需要电费200万元，41个光子需要400万元，42个光子需要800万元，推算下去将是天文数字。

这也从侧面反映了“九章”与传统超算之间的巨大差异。

最后，在美国暴发新冠疫情，中国口罩很充足，但在美国几乎买不到的时候，陆朝阳主动给亚伦森寄了200个口罩。

“我不认为这有影响我后来的审稿，但我还是很感激。”亚伦森再次调侃说，并热烈祝贺整个团队所取得的成就。