国外量子计算专家对“九章”实验结果的批评和质疑

作者：徐令予

我原本无意去淌“九章”之争的浑水。量子计算机还处于科研的初级阶段，探索工作中出点差错在所难免，这与量子通信的工程失误有着本质的不同。宽待科研、严责工程，这是我一贯的态度。但是读了《“九章” 作者对涂传诒先生等若干网络评论文章的回复》之后让人如鲠在喉，实在忍不住要吐几句。

潘、陆两位教授在文章中用大量篇幅摘录西方学界和媒体对“九章”的评议，似乎“九章”收获的除了鲜花就是掌声，没有一丁点的批评和质疑。言外之意：外国专家全都为我们站队，国内反对者是自不量力；“九章”为国人带来如此多的荣誉，大家感恩知足吧。

事实果真如此吗？下面就是国际著名量子计算专家对“九章”的评论(直译)，请读者们自己鉴别吧。

斯科特·亚伦森（Scott Aaronson）

“九章”论文的主审人、玻色取样理论的开创人，美国德州奥斯丁分校计算机系教授

“许多同事告诉我，他们认为玻色取样实验是死胡同，原因是光子丢失，而且难以同步50-100个单光子源。他们说，令人信服的量子计算优越性的论证将不得不等待量子容错的到来，至少某些量子硬件平台要比光子系统更可靠。我一直同意他们可能是正确的。”[1]

“我要为我的失误向吉尔·凯莱（Gil Kalai）表达公开的歉意。尽管他对量子计算的质疑常常令我感到动机不明和有些奇怪，但就目前而言，吉尔在2014年与金德勒（Kindler）的研究成果显然有助于科学讨论的健康发展。换句话说，至少在玻色取样这个领域，事实证明吉尔的质疑是切中要害的。”

“对(九章)的其他质疑者是Google团队的现任和前任成员，其中包括Sergio Boixo和John Martinis！而且更有趣的是，吉尔（Gil）与Google员工有效地合作，对(九章)新的说法提出了质疑。反对派中另一个中心人物是荷兰量子光学教授和(Shtetl-Optimized)最佳评论员 Jelmer Renema，上周我从他那里了解到许多与此有关的知识。”[2]

（ 译注，“九章”论文审稿人观点的大幅度转变，很有可能是事后他与 Jelmer Renema 的交流有关，关于这位荷兰光学专家的观点下面有专门的介绍。）

吉尔·凯莱（Gil Kalai）

以色列 Herzliya 研究中心数学及计算机教授、耶鲁大学客座教授、质疑量子优势派别的旗手

“已经很明确，依据 Kindler 和 mine 俩位专家在2014年的研究结果可以判断，(九章)声称在200秒内实现(玻色)取样如果在当前的超级计算机上需要运算数百万年，这是没有根据的。”[3]

为什么所有“有噪声的中等规模量子计算机”NISQ系统试图达到大规模量子优势(HQCA)以及量子错误校正(FTQC)都会失败，我的主张是基于以下两个判断：

A）“令人信服的量子优势HQCA演示必须等待量子容错的到来” 

B）量子容错所需的量子纠错码所需的误码率甚至低于HQCA所需的误码率。 

正如斯科特·亚伦森自己断言的那样，量子计算界中的许多人都同意（或曾经同意）主张A。并且对于主张B也有广泛的共识和实验证据。

John M. Martinis

美国加州大学UCSB物理系教授，国际著名量子计算机专家

“论文于周五发表，我一直在与一些理论家讨论—这些都是世界上顶尖的理论家—我们对此有很多疑问。” 

“所以，陪审团出来了。人们必须审视它。”“这就是科学要做的事情。” 

“最后，你还必须进行纠错，并且为了进行纠错，它必须是可编程的。”

Sergio Boixo

谷歌量子计算理论部首席科学家

“不错的实验！但是，对于类似的取样用经典方法很困难的观点我们究竟有多确定？（九章论文中）图3G和3H显示实验(误差)概率分布高于随机热噪声。但是我们知道理想的两点拟合并不难计算（图3F）。热噪声均匀采样没有正确的两点拟合。如果我们经典取样时使用每个模式的期望值和两点拟合(这很容易尝试),那么与实验相比，我们获得的(误差)概率分布会更低吗？ ”

斯科特回应：“这是一个很好的问题。鉴于他（陆朝阳）也在关注这里的讨论，我顺便向陆朝阳询问一下，他是否尝试过，结果又如何。”

Jelmer Renema

荷兰 TWENTE 大学（适应性量子光学研究部门）副教授

《论文摘要(部分)》在这项研究工作中，我们演示了一种模拟玻色取样的经典算法，该算法模拟存在光子损耗的情况下基于不可区分的玻色子的多体量子干涉玻色取样物理过程。我们的实验是要确认维持量子优势状态下噪声水平的最高允许值。研究表明，当前的光子技术未能达到该基准。这些结果使人们有充分理由质疑玻色取样作为量子优势证明的适用性。 

如果想要弄明白玻色取样中噪声问题的严重性，请一定要认真阅读这位荷兰专家的论文：

Classical simulability of noisy boson sampling

必须声明，以上所有观点都不是我的，我仅是一个搬运工。翻译不可能百分之百精准，为更正确地理解这些专家学者的观点，请对照本文中的图片和列于本文最后的相应原文，原文中还含有时间标签。所有专家学者的原话也可在斯科特和吉米两人的博客中找到，在他们的博客中还可以看到更多人士对“九章”的批评质疑。

我没有资格、没有能力也不想在国际量子计算专家与潘建伟团队之间判定对错，我只是把国外专业人士对“九章”尖锐的批评和质疑尽量准确全面地呈现出来，供读者参考。俗话说，不怕不识货，只怕货比货。

最令人不可思议的是，潘团队在辩解文章中竟然宣称：“到目前为止，“九章” 实验没有受到正式的专业的小同行的严肃质疑，这也使得部分国际专家认为 “九章” 是目前唯一保持量子优越性的工作。”这样的话也说得出口，令人难以置信。难道上面列出的那些专家，包括他们论文的审稿人都不是“正式的专业小同行”？他们全都“对于量子计算和玻色取样的专业概念的理解存在偏差”？

退一万步，如果所有这些量子计算专家教授不幸全都错了，那就更应该告诉国内公众了，有什么好害怕的呢？群众眼睛是雪亮的，让他们看到有这么多外国量子计算专家反对但最后证明全反对错了，这不更能展示潘建伟团队力压群雄引领世界的实力和风釆吗？

其实研究过程中出点差错在所难免，最不能接受的是千方百计地压制批评误导公众。一个研究团队的优秀强大，绝不是他掩盖错误的能力，而是正视和纠正错误的能力。

读到这里，也许会产生这样一个疑问，“九章”存在此严重的硬伤，怎么可能会发表的《科学》杂志上呢？对于这个问题还是看看“九章”论文审稿人自己的解释吧。

“为什么新的实验尽管令人印象深刻，但却可以用经典方法有效地模拟呢？这其中的关键原因是光子损失：正如陆朝阳现在已经明确证实（在原文中是隐含的）那样，多达约70％的光子在通过分束器网络时会丢失，仅剩下约30％的光子能检测到。在我看来，至少对于“Fock state” 玻色取样，即我和Alex Arkhipov在2011年提出的具有单光子输入的玻色取样，这样高的光子损失率对于声称量子优势是一个致命伤。”[4]

“我有些内疚，作为《科学》论文的审稿人之一—尽管被孩子和疫情所困扰—现在很明显，我并没有尽我所能地勤奋工作去及时制止新的量子优势的主张。但是另一方面我又认为，对于量子优势的主张，就像对新密码的提议一样，鉴别不应只是一两个审阅者的责任。相反，如果主张是严肃的（这个案子显然是这样），那么唯一要做的就是让论文示众，以便整个学界都可以行动起来把其击毙。当作者和怀疑者之间的通讯不需要通过期刊的编辑部门时，交流的速度也快得多。”[5]

以上都是斯科特·亚伦森（Scott Aaronson）的原话，由此可知所谓的同行评议和审阅都有偏面性和局限性，千万不能把《科学》和《自然》上发的论文当作至高无上颠簸不破的真理。事实证明，这些高大上杂志上发表的论文有不少后来被证明是无用的、甚至是错误的。

最后，谈谈我在阅读了这些专家学者对“九章”量子优势的批评和质疑后的一些心得。

1）令人信服的量子优势(HQCA)演示必须等待量子容错的到来

这个观点已经是量子计算领域的共识，这其实也是显而易见的。因为任何系统内部都有噪声的，而容错机制是克服噪声保证计算精确的唯一行之有效的手段。

计算精确度是比较计算速度的前提。经典计算机在计算过程中要多精确可以有多精确，从来没有什么光子丢失，也没有听说过室温变化会导致计算错误，计算结果可以在不同系统上反复验证。没有量子容错的玻色取样实验要与经典计算机比速度意义又何在？

欲速则不达、慢工出细活，谁都知道做数学题准确是第一位的。在考场上，一个考生提早交卷，但是答卷上错误百出、漏题超过百分之七十，难道这个考生比准时交卷又全部答对的考生更优秀吗？没有量子容错的量子优势，不就是那个提早交卷但是错答和漏题的考生吗？

说到底，没有纠算能力的实验设备就不是计算机，这种实验设备毫无资格与计算机比高低！

2）玻色取样这类量子实验装置要取得量子优势极为困难

玻色取样系统内部的噪声会因量子比特数的增加而急剧上升，“九章”系统光子大量丢失就是明证。为了压制噪声保证计算精确度，系统就需要把许多量子比特用来纠错。换言之，希望增加量子比特以提高速度会得不偿失。这就是“认为玻色取样实验是死胡同”的主要原因。

还有一点必须指出，如果把噪声的因素考虑进去，经典计算机算法也可以改进后变成多项式加速，没有量子容错的玻色取样哪来什么量子优势可言。

3）“九章”玻色取样实验的致命硬伤是大量光子丢失

从某种意义上来讲，“九章”大量光子丢失就是系统存在严重噪声的一种表现，“九章”也没有“可编程”能力，当然量子容错更谈不上，所以认为“九章”实现量子优势是没有说服力的。

“九章”的实践证明利用玻色取样获得量子优势在技术上不可行，这其实是为质疑量子计算的阵营递刀子，这大概就是“九章”存在的唯一意义。国际上有很多人在批评和质疑“九章”吗，倒也不是，因为量子计算领域专家真正关注的是更本质更深层次的问题，他们否定量子优势针对的是玻色取样甚至所有量子计算装置，他们才不会为了“九章”这样一个特定的实验去化费太多精力的。

这就像物理学家否定了永动机的可能性，他们一般不会为某人宣布做成了永动机而展开调查研究的。由此也可以解释国内外批评“九章”的一些区别。国外把批评集中在玻色取样和量子计算的物理原理层面上，从根基上否决了目前实现量子优势的可能性，因此他们对“九章”的一些细节并不太关心；国内对“九章”的批评更具体、更细致，着力在计算理论层面上。我希望能促进双方的学者专家有更好的交流，让这场又关“九章”的争议变得更有意义。

原文对照

[1] Many colleagues told me they thought experimental BosonSampling was a dead end, because of photon losses and the staggering difficulty of synchronizing 50-100 single-photon sources. They said that a convincing demonstration of quantum supremacy would have to await the arrival of quantum fault-tolerance—or at any rate, some hardware platform more robust than photonics. I always agreed that they might be right. (Update 12/5 2020)

[2] But other skeptics are current and former members of the Google team, including Sergio Boixo and John Martinis! And—pause to enjoy the irony—Gil has effectively teamed up with the Google folks on questioning the new claim. Another central figure in the vetting effort—one from whom I’ve learned much of what I know about the relevant issues over the last week—is Dutch quantum optics professor and frequent Shtetl-Optimized commenter Jelmer Renema. (December 16th, 2020)

[3] It is already clear, that in view of Kindler and mine 2014 results, the claims of achieving in 200 seconds samples that require millions of computing years on current supercomputers are unfounded. (January 6, 2021)

[4] Without further ado, why might the new experiment, impressive though it was, be efficiently simulable classically? A central reason for concern is photon loss: as Chaoyang Lu has now explicitly confirmed (it was implicit in the paper), up to ~70% of the photons get lost on their way through the beamsplitter network, leaving only ~30% to be detected. At least with “Fock state” BosonSampling—i.e., the original kind, the kind with single-photon inputs that Alex Arkhipov and I proposed in 2011—it seems likely to me that such a loss rate would be fatal for quantum supremacy. (December 16th, 2020)

[5] Part of me feels guilty that, as one of reviewers on the Science paper—albeit, one stressed and harried by kids and covid—it’s now clear that I didn’t exercise the amount of diligence that I could have, in searching for ways to kill the new supremacy claim. But another part of me feels that, with quantum supremacy claims, much like with proposals for new cryptographic codes, vetting can’t be the responsibility of one or two reviewers. Instead, provided the claim is serious—as this one obviously is—the only thing to do is to get the paper out, so that the entire community can then work to knock it down. Communication between authors and skeptics is also a hell of a lot faster when it doesn’t need to go through a journal’s editorial system. (December 16th, 2020)

参考资料

1）斯科特·亚伦森（Scott Aaronson）博客

2）吉尔·凯莱（Gil Kalai）质疑量子计算机

3）涂传诒 【杂谈｜是量子计算，还是光学实验？】

4）李毅纲 关于玻色采样问题和“九章量子计算机”的学习心得