科学不避争论：众学者激辩量子计算九大问题-ag凯发真人

主持人张力奋与“九章”争鸣的线下讨论嘉宾，从左至右为：张力奋、陆朝阳、潘建伟、陆品燕和张峥。

撰文 | 王一苇

责编 | 陈晓雪

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2020年12月4日，由中国科学技术大学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研制的光量子计算原型机横空出世，在“高斯玻色采样”问题上取得突破，求解速度达到目前全球最快的超级计算机的一百万亿倍。这是中国首次实现“量子计算优越性”，也是继谷歌之后，利用不同的物理体系和算法，第二个验证量子优越性可以实现。

“九章”成果获得国际同行普遍的高度认可，并得到《自然》、《科学美国人》等科学媒体报道。网上也出现了一些质疑：“九章”是一个光量子系统，这是一个光学实验还是量子计算？“高斯玻色采样”的问题有意义吗？“九章”不能编程，是真正的计算机吗？甚至有一些评论文章直指“九章”论文宣传“浮夸”。

直面争议还是忽略质疑？“九章”论文的作者们选择了前者。

2020年12月29日晚，在知识分子、赛先生和墨子沙龙共同组织的直播中，“九章”论文通讯作者潘建伟、陆朝阳就相关质疑进行了解答，并与来自量子科学、计算机、人工智能等领域的学者就量子计算的现状与未来等问题展开讨论。

“今天我的一个学术报告援引了昨天的论坛，与群里多位专家启动这次讨论的出发点共鸣：论文发表只是少数匿名专家的闭门评审，更重要的是发表之后，所有小同行、大同行和公众（纳税人）的公开评审。” 直播结束的第二天，12月30日晚，陆朝阳在“九章”直播讨论的微信群里写道。

讨论历经三个小时，主要围绕“九章”论文及其公众关心的九个核心问题展开。

“九章”的最大意义是中国第一次实现量子计算优越性。而第一个实现量子计算优越性的谷歌，在论文中提到他们使用的量子比特是可以编程的。因此有观点认为，“九章”不能编程，因此不能算真正的计算机，也不能说明实现了量子优越性。

“九章”论文通讯作者、中国科学技术大学教授潘建伟在直播开始不久就直接回应了这一问题。他指出，量子计算优越性指的是同一个任务，用经典计算机来算很难，甚至在我们的有生之年都计算不完，而量子计算机可以在很短的时间内完成，就能说明其量子计算的优越性。在这个意义上，量子计算机是否能编程并不重要。

潘建伟介绍，首先，光量子计算“原理上讲是可以编程的”。回顾历史，2000年，e. knill，r. laflamme 和g. j. milburn三位科学家本想证明光学手段不能做通用的有效量子计算，却在证明过程当中发现，量子光学干涉手段已经足够来做有效的可编程量子计算，这一结果被称为klm定理，在领域里引起很大轰动。

潘建伟还表示，现在的“九章”其实是可以部分编程的，可以调整实验中光的强度，干涉仪的投射率、反射率等参数，但可编程不意味着什么都可以算。九章的下一步，“就是要成为一个可完全编程的计算机。”潘建伟说。

上海纽约大学计算机教授张峥则表示，理清楚“编程”的定义很重要，能够减少误解。例如，实际上大众理解的“编程”是码农写程序，而他认为“九章”和“悬铃木”编程指的是“重构”（reconfiguration）。区别在于前者是用程序指令调动通用计算计算机的硬件资源，包括计算和存储，是在图灵机的框架下，而后者有点像用乐高积木做一个任务搭一个“硬件”，这两者的编程在目前并不在一个层面上。

中科院自动化研究所研究员王飞跃提醒道，早期的经典计算机eniac，也是用一台电路计算机进行方程、弹道计算等。现在的量子计算机也处在相似的发展早期。

对于王飞跃的这一观点，张峥在直播后评论说，eniac确实是解决火炮弹道到专一问题，但是图灵完备，所以能进一步推动成为通用计算机。量子计算机理论上可以是图灵机的超集，但代价是把量子叠加去掉来恢复图灵机中的算子，没有实用价值。

王飞跃（左屏幕右上）、朱晓波（左屏幕左下）和张胜誉（左屏幕右下）作为观察员嘉宾连线参与到了“九章”争鸣的讨论。

王飞跃还认为，目前见到的计算机都是专用计算机，“九章”也是。而按照现在的思路走下去，“九章”也可以编程，加一套控制系统，可以成为通用计算机。

张峥则认为，目前的计算机，从手机到超算，都等价于图灵机，也都是通用机；量子计算理论上可以（去除量子叠加之后），但“九章”目前不是。另外，他认为，经典通用机的编程和量子计算的编程概念并不一致，所以“加一套控制系统”，其实就是用通用计算机来控制，而九章是作为一个加速器。总的来说，在实用中，量子计算发展的一个可行的路径成为是通用计算机的一个部件，而不是反过来。

“九章”量子原型机是在一个复杂的光学装置里完成的，有观点认为，它只是一个光学实验，不能叫做量子计算机。

张峥再次强调名词概念的厘清非常重要，公众定义里的计算机指通用计算机。在这一框架下，他认为“九章”实现了量子计算，或可以被称为一个量子计算器，有可能在将来是非常好的加速器，但不是一个计算机。

他解释说，这是因为图灵机的本质是用读写、计算和条件判断三个操作指令就可以实现所有算法，而“九章”实现的是计算这个步骤的加速，还需要实现数据读取和控制。更进一步说，量子计算在理论上可以做图灵机的指令，代价是去掉量子叠加，所以没有必要，也没有优越性。

“九章”实验的负责人之一陆朝阳回应说，“计算机”的名称是长久以来国外学界对于量子计算硬件的普遍叫法，沿用至今，对于“九章”以及其他量子硬件，更合适的表述可能是处理器（processor）。

“类比cpu（中央处理器，central processing unit）、gpu（图形处理器，graphics processing unit），对于特定的问题，我们有qpu（量子处理器，quantum processing unit），可以加速计算某些特别的问题。” 陆朝阳解释说。

潘建伟表示，文字和科学名词，有些时候跟不上科学的发展。科学家有时对科学名词关注不够，而媒体则不清楚相关名词的语境变迁，容易产生误解。

“现阶段造出一台机器，叫量子计算原型机也好，量子机也好，我们想传达的信息是运行特定算法的处理速度快。” 潘建伟说。

“九章”此次解决的问题是一个叫做“高斯玻色采样”的算法。有质疑认为，“悬铃木”和“九章”都只能用量子计算完成一个特殊算法，即不能实现解决所有计算问题的通用计算。而且，像“九章”这样的光量子计算机可能“先天不足”，不仅现在，就是在未来也无法实现通用量子计算。

对此，陆朝阳回应道，首先，“九章”装置原理上是可以通过升级改造用来实现通用量子计算的（这一点在arxiv上面的论文预印本讨论部分有具体技术细节）。

对于量子计算整个领域来说，实现通用量子计算可以分“三步走”。

他指出，大众谈的最多的通用量子计算机是量子计算机发展的第三步，需要操纵几百万、几千万的量子比特，和今天国际学术界能操纵的几十个还有很大差距。

而在这之前的第二步，是建一些专用的、针对某些特定问题的量子模拟机，或者叫专用量子计算机，为材料设计、机器学习等问题提供ag凯发真人的解决方案，需要操纵数百到数千物理比特，在未来五年应该是可以做到的。

而“九章“现在做的第一步，是展示了后面两步可以做到的量子操纵能力。

“处理一个严格定义的数学问题，先不管这个任务本身有没有用，有没有经济价值，量子机器比所有的计算机都要快，这就是量子计算优越性的里程碑，”陆朝阳说，这一步需要50到100个物理比特，具体的算法实现主要包括“玻色采样”和“随机线路取样”。

他认为，第一步和第二步中间产生的专用量子计算机是未来走向通用，走向最终目标的垫脚石，这也是团队下一步努力的方向。

腾讯杰出科学家、腾讯量子实验室主任张胜誉首先祝贺潘建伟与陆朝阳所做的工作。他指出，需要明确定义什么是通用计算，实际上通用量子计算有明确量子图灵机定义，也和量子通用电路的定义等价。在他看来，“悬铃木”是要实现通用电路，也就是可编程量子计算机，“九章”更像是专用量子计算机，器件参数可调。

他还表示，非通用性本身不是问题。“用专用的机器解决一个特殊问题完全可以，关键要看解决的这个问题本身在科学研究或实际应用上是否有重要价值。”

谷歌发布“悬铃木”工作时宣称，在200秒时间内完成经典超级计算机需要一万年才能完成的计算。之后，ibm发表文章称，他们的超级计算机可在2.5天时间内完成谷歌量子计算机达到“量子优越性”所解决的相同问题，且精确度（fidelity）更高。

同样地，“九章”称在“高斯玻色采样”问题上比世界上最快的超级计算机日本“富岳”快一百万亿倍，也面临类似的质疑。目前代表经典计算最高算力的超级计算机，真的不能完成“九章”的任务，已被远远甩在后面了吗？

上海财经大学信息学院教授、理论计算机科学研究中心主任陆品燕表示，量子计算机比经典计算机快多少倍，和下一代芯片比上一代快多少倍是两个概念。在这一点上公众可能有误解。

“后者比较的是相同任务和相同算法下的运算速度，工艺更好的下一代芯片比上一代芯片快，就会在所有的计算任务上都比上一代快。但前者比较的是相同任务下的两种不同算法，一个算法比另一个算法快，所以只针对特定的计算任务有加速，这样的任务在所有计算任务中占的比例很小。”他说。

陆品燕的工作与算法关系密切。他表示，比较要界定范围，是就某个特定问题的比较，还是与目前经典计算已知最好的算法比较。

“以后有没有更好的经典算法可以和量子算法差不多速度呢？这个现在并没有结论。” 陆品燕说，数学家们对“九章”和“悬铃木” 处理的采样问题做过很多研究，有一些和这两个问题很接近的问题都已经找到了快速的经典算法，很难说经典计算机就一定做不好。

潘建伟表示，量子计算机和经典计算机是互相协同、而非取代的关系。他打了个通俗的比方，“目前最好的交通工具还是两条腿，但在城市里还是要开车，洲际需要飞机，每个代步工具都有各自的缺点。类似的，量子计算机和传统计算机也在扮演不同的角色，一起协同工作，可以更好地解决计算里面的很多问题。”

主持人张力奋给中国科学技术大学教授朱晓波出了一个难题，请他评价谷歌和中科大的成果谁做得更好。

说是难题，因为朱晓波与潘建伟、陆朝阳同为中科大教授，而且属于同一个团队，但其负责的超导量子计算工作与谷歌“悬铃木”采取同一技术路线。

“从量子优越性的展示程度来说，谷歌做得更早（早一年），但是科大这个工作做得更好。”朱晓波回答说，因为“九章”展现出了相比经典计算机更大的优越性。他同时提出，技术进步的意义其实远大于作比较的意义。“大家对科学技术本身的进步关注太少。”

对于朱晓波的意见，潘建伟表示赞同。他认为，这两项工作就好像比较跑步和登山的速度，性质有所不同，不方便直接比较，但是可以找一个相同的参照物，超级计算机，来间接和等效地比较。同时，他也表示，光量子计算和超导量子计算并不是竞争关系，例如陆朝阳的光量子小组和朱晓波的超导量子小组在人员、思路方面一直有很好的合作，经常在一起讨论，彼此的算法理论研究可以相互支撑。

量子计算是国家支持的主要科研方向之一。有人质疑，量子计算“烧钱”看不到应用，是否在浪费纳税人的钱？

潘建伟回应，量子计算领域投入大，国际上普遍如此，而中国相对来说还算“省钱”。他援引业内资深专家评论，谷歌在过去10年里仅超导量子计算一个项目（悬铃木）就大约投资了10亿美元，粗略估计，中国科学技术大学陆朝阳的光量子项目组的经费大概不到谷歌的1%，朱晓波的超导量子项目组的过去5年经费大概是谷歌的5%。

“因为有整个学校，整个科学院研究所支撑，我们可以调用很多其他仪器和设备，我们整体花的钱肯定没有谷歌多。” 潘建伟解释说。

“有人问这到底值不值？短期来讲，肯定是目前在花钱，还没有挣钱。现在是把钱烧成纸的阶段，把纸变成钱的阶段还没有到来。” 潘建伟说。

此前，陆朝阳在接受，“九章”此次实验的直接投入设备和材料费大约为3000万人民币，这一费用未计入一些合作单位专用设备和超算验算的费用。

在“九章”审稿过程中，审稿人、德州大学奥斯汀分校教授scott aaronson提出实验只进行了26-30个光子的验算，不过瘾。团队因此继续用位于江苏省无锡市的“神威·太湖之光”超级计算机进行了30-40个光子的全部验算，电费就高达40万美元。

“假设算到76个光子的话，需要的电费就大大超过美国一年的总产值了。”陆朝阳表示，“神威·太湖之光”超算的运行费包含在当地政府的预算里，冷却水给超算cpu降温后产生的热水提供给了周围居民供暖。

量子计算仍在婴儿期，但专家学者们对这一技术成熟后的世界有诸多想象。

王飞跃表示，不希望也不相信通用量子计算会很快出现，如果现在出来会是 “人类的灾难”。

“就像小孩要放鞭炮，你硬给他一个原子弹放，”他说，“人类目前法制教育的程度根本不能承担通用量子计算带来的后果。我认为通用量子计算像通用的人工智能一样，是人类的灾难。”

他同时认为，量子计算会给其他技术造成毁灭性打击。任正非曾在2019年的一次对谈中提到，“很多人将区块链说的多么伟大，但在量子计算面前就一钱不值了。” 王飞跃引用了这句话，并表示，量子计算出来之后，“不是区块链什么都不是，而是什么什么都不是。” 他也认为，量子计算能破解密码体系是极大的危险。

因此，王飞跃表示，要在真正的量子计算出现前，用区块链技术把社会信用加强。“在道德法制观念进步，通过技术手段加强整个社会的素质后，才能承担通用量子计算带来的后果。”

陆品燕则反对“灾难说”。“有一种误解是，如果通用量子计算机造出来那么什么计算问题都能解决了？大多数情况不是这样的。”他说，“即便通用量子计算机出现，也只能解决特定问题，世界大部分没有改变。”

他认为，大多数计算不会有很大改进，只有特定一些计算会有改变，其中包括密码破解。但量子计算所能做的仍然有限。“我们现在也有其他的密码方式，用通用量子计算也不知道怎么破解。”

两年后，又或是五年、十年、二十年后，“九章”会发展成什么样？主持人张力奋把问题抛给九章团队的专家。

潘建伟表示，技术上，首先希望下一个版本的“九章”把76个光子数拓展到85个以上，继续提升量子优越性。两到四年内，希望调制干涉仪实现可编程。

而应用上，团队希望未来两年能够解决一两个物理学或化学上重要、但目前超算解决不了的问题。“这些问题不是光好玩或者拿来比赛用的问题，要有实际意义。”他说。

潘建伟认为，15年到20年内实现通用量子计算，“并不是没有可能”，而关键就在未来十年。“要看5到10年里面能不能把纠错(error correction)问题解决，未来20年的前景是非常光明的。”

在针对九章的讨论接近尾声的时候，主持人张力奋请科学家们谈谈对量子计算未来的希望和担忧，未来两年或是更长时间内希望看到什么发展。

张峥指出，当年的商用计算机成熟有两个条件，第一是解决了一个实用的大问题，例如火炮轨道问题，而且是真正的大家需要解决的难问题，第二还要具备一些图灵完备性。他认为，量子做通用性不如跟现有经典计算机结合，这两个条件都达到才有量子计算机走向实际、展现优越性的可能。的真正优越性。不过，他指出这是一个长期的目标，“今后两年做不到，不能逼人太甚。”

陆品燕认为，作为交叉学科，量子计算的国际合作和跨领域交流非常重要。增强不同视角科学家如计算机科学家跟物理学家的对话，对于推动这个领域发展非常有帮助。他认为，目前理论上好的量子计算算法还是太少，也希望未来几年内能看到更多好的、能解决目前经典计算机解决不了的计算问题的算法。

王飞跃表示，量子计算能极大提高机器学习和人工智能的搜索效率，解决区块链目前面临的关键技术问题，价值巨大，但他也担心这一技术带来的“巨大的危险”，建议研究后量子时代密码学等技术，“就像放原子弹之前先想好我们该躲到什么地方去。”（注：直播讨论结束后，张峥表示对王飞跃的这一观点存疑。他认为，量子计算至少对目前机器学习算法来说，并没有用。区块链我不熟，但如果是去中心带来的效率是关键的话，也一样没有帮助。）

作为国内超导量子计算的领头人之一，朱晓波希望在量子纠错上能有所突破。同时，“最大的瓶颈不是硬件，而是怎么把优越性真正用到有用的问题上去。”他提出，希望能多和做计算复杂度的理论计算机科学家交流，了解什么样的硬件能解决实际问题。

理论计算机科学方面的专家张胜誉则接过朱晓波抛过来的“锅”，表示目前设计的很多算法的确实是针对大规模通用量子计算机，而近期的量子计算机能做什么，是很有趣的理论和实践问题。

他表示，未来算法在信息处理，人工智能，优化，搜索，安全、药物或者材料设计领域都可能会有重要应用。“在今天这个时刻，大家都特别关心跟我们全人类性命攸关的疫情，所以我也很希望量子计算机能帮助我们对一些潜在药物分子的性质有更深刻的理解。”

陆朝阳说，之后两年主要的研究兴趣可能是两方面，一方面是基于量子优越性，希望发展初级的量子处理器，能帮忙分担一小部分之前只有在超算上才能处理的计算任务；另外一方面，随着技术发展，还可以回过头研究探索量子力学本身的有趣问题。

他表示，普通大众所希望看到的应用相对还比较遥远，可能需要15年、20年甚至更远。现在研究人员更倾向于先做实验室层面研究方面的工具。“我经常觉得量子计算机跟激光是比较相似的，激光发明出来也是作为实验室里面的物理学家和化学家做的工具，慢慢成为互联网通信的物理基础，慢慢惠及到每个普通人。”

潘建伟则为团队发布了寻求合作的“广告”，希望多和计算理论专家合作，通过量子模拟实验解决小分子制药等领域里的实际问题。“相当于我们在炒菜，而我们现在的食材（量子硬件）就只有这么多，而他们告诉我怎么炒这个菜比较好吃，这就有价值了。”

本场讨论由复旦大学新闻学院教授、前ft中文网总编辑张力奋主持。

“科学需要争论。”直播前，张力奋在直播嘉宾的微信群中写道。

12月29日晚，张力奋在直播中坦率表示，自己既不懂物理也不是科学家，但对量子科学感兴趣，因此希望能够代表对物理学感兴趣却又不懂的小白提问。他同时介绍，参与讨论的嘉宾有“九章”工作的作者，质疑者和支持者，期待可以展现出一个多样化的讨论，实现不同观点的交锋与争鸣。

在准备直播的过程中，为了更好地了解“九章”工作与量子计算，张力奋在直播前一天还去拜访潘建伟、陆朝阳以及朱晓波的量子实验室，并提前搜集嘉宾观点，鼓励嘉宾们择时切入，有观点碰撞，迸出火花。

数据统计显示，这场关于硬核科学的讨论直播，共有279.55万人次观看，评论互动也弹幕不断。

“科学也可以很欢快，好样的”，“几位讲得很好，祝愿明年会更好！”“我们需要这样的直播越多越好”，“九章之后是什么？畅想一下”……

很多人可能不知道，这场直播源于“知识分子”专家委员会微信群的微讨论。说是微讨论，是因为微信群内部讨论直接搬到了线上，以让更多感兴趣的公众参与其中。

12月6日，著名计算机科学家张宏江在《知识分子》专家委员会的微信讨论群里分享了一篇文章，文章称中科大宣称比谷歌的量子计算机快1百亿倍 “有点浮夸”。

很快，潘建伟回应：首先，我们的学术论文并没有把九章和悬铃木进行直接对比，其次，在被要求进行对比的时候，我们只能是都拿同样的参照物，传统的超级计算机，进行对比，由此产生的速度对比是“等效”的，这在新闻通稿中是严格限定的（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73418.htm）。新闻通稿被某些媒体引用时，随意去掉了限定词，自然就不严谨了。

中科大的新闻通稿的表述称“九章”计算高斯玻色采样时，其速度“等效地”比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。而一些评论文章在引用时，忽略了“等效”这一限定语。实际上，两者的比较是通过分别计算比经典计算机快多少倍，再比较两个倍数得出的。其中，与“悬铃木”比较的经典计算机速度是ibm提出的2.5天。

上海纽约大学计算机教授、亚马逊aws上海人工智能研究院（asail）院长张峥在微信群里跟帖说，关于量子计算机的提问值得直接回应，“算法复杂度除外，还有和通用图灵机的距离”。

很快，潘建伟回复：“我们工作的主要科学意义在于实现了量子计算研究三步走的第一阶段。科大网站上的新闻通稿写的明明白白的。”他表示，新闻通稿也讲清楚了基于“九章”量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学期、量子化学等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。

5分钟后，潘建伟在微信群里建议，《知识分子》可以找第三方的专家做报道评论。

张峥继续提问：比如说如果量子计算用来做蛋白质折叠问题，会如何？

又有多位知识分子专家委员会的专家加入了讨论，辩论的态势已然形成。

在《知识分子》编辑总监李晓明的鼓励下，多位学者认同可以组织一场直播进行公开讨论，就关于“九章”的工作及其引发的争议展开讨论。

接下来是讨论嘉宾的人选。

潘建伟推荐了“九章”论文通讯作者、中国科学技术大学教授陆朝阳，以及研究方向与谷歌“悬铃木”超导量子计算机技术路线相同的中科院量子信息与量子科技创新研究院教授朱晓波。

张峥则推荐了腾讯杰出科学家、腾讯量子实验室主任，香港中文大学终身教授张胜誉和上海财经大学信息学院教授、理论计算机科学研究中心主任陆品燕，前者研究经典和量子算法和复杂性，以及量子计算的潜在应用（如信息处理，新药研发），后者在算法与复杂性研究上全球领先。

对“九章”论文工作同样感兴趣的王飞跃教授也欣然加入。

正当知识分子专家委员会内部激烈讨论时，张力奋在朋友圈转发了一篇关于质疑“九章”论文的文章，《知识分子》总编辑饶毅看到后，力邀张力奋入局主持讨论。

自此，直播阵容搭建完成。

科学诚然需要争论，但为何要做面向公众直播讨论？从广泛的意义上来，科学传播的意义是什么？

直播结束后，张峥表示，很多不懂量子计算的人关心的是：啥时候可以用量子手机来炒量子股票？而科学传播的意义，“除了有血有肉地还原科学家，不妖魔化也不神话，澄清这样的误读我认为是首要任务”。

张力奋在直播中则指出，关于“九章”以及对实验和量子计算的意义，包括七位科学家的不同解读以及对未来的预测，他已经预计到这些问题在两个小时无法完全达到一致和共识，“但在2020年结束的时候，能够在这样的场合有这样轻松的讨论，讨论中国科学家顶尖的知识劳动，对于我这样的科学小白来说是非常好的经历……希望有一些观众在看了直播之后，会成为科学爱好者。”

他同时表示，中国科学家在2020年非常艰难的一年所获得的突破，无论是国人还是科学界同行都非常激动和期待，但他们也有理由提出自己的疑问理由，即使提出疑问的人并不懂物理。

“他们作为纳税人有理由质疑他们的钱是怎么用的。我相信这是一个社会和科学界之间的良好互动基础。”张力奋总结说。

ps：直播结束，关于量子计算的“微讨论”还在继续。

全程观看直播的生物学家饶毅“弱弱”地问众嘉宾：

通用量子计算机在理论上已有前人证明；

如何实现不清楚。

谷歌证明用超导技术，量子计算“可以爬”，

建伟等证明用光子技术，量子计算“可以走”（虽然步履蹒跚）。

目前可以预见能够用于加速计算、或特殊计算。

而通用计算在技术上怎么落地，有待进一步研究。

希望是有生之年。

张胜誉对此回应道，“我的理解是通用量子计算实现方案，至少用超导还是比较清楚的，当然技术细节很多坑需要踩。”

陆朝阳则用一封长信回复了饶毅的问题：

致谢：张晗、任知微、戴威、汤佩兰对本文整理亦有贡献。