徐令予博客
考槃在澗，碩人之寬。獨寐寤言，永矢弗諼。考槃在阿，碩人之薖。獨寐寤歌，永矢弗過。考槃在陸，碩人之軸。獨寐寤宿，永矢弗告。
國外量子計算專家對“九章”實驗結果的批評和質疑
作者：徐令予
我原本無意去淌“九章”之爭的渾水。量子計算機還處於科研的初級階段，探索工作中出點差錯在所難免，這與量子通信的工程失誤有著本質的不同。寬待科研、嚴責工程，這是我一貫的態度。但是讀了《“九章” 作者對塗傳詒先生等若幹網絡評論文章的回複》之後讓人如鯁在喉，實在忍不住要吐幾句。
潘、陸兩位教授在文章中用大量篇幅摘錄西方學界和媒體對“九章”的評議，似乎“九章”收獲的除了鮮花就是掌聲，沒有一丁點的批評和質疑。言外之意：外國專家全都為我們站隊，國內反對者是自不量力；“九章”為國人帶來如此多的榮譽，大家感恩知足吧。
事實果真如此嗎？下麵就是國際著名量子計算專家對“九章”的評論(直譯)，請讀者們自己鑒別吧。
斯科特·亞倫森（Scott Aaronson）
“九章”論文的主審人、玻色取樣理論的開創人，美國德州奧斯丁分校計算機係教授
“許多同事告訴我，他們認為玻色取樣實驗是死胡同，原因是光子丟失，而且難以同步50-100個單光子源。他們說，令人信服的量子計算優越性的論證將不得不等待量子容錯的到來，至少某些量子硬件平台要比光子係統更可靠。我一直同意他們可能是正確的。”[1]
“我要為我的失誤向吉爾·凱萊（Gil Kalai）表達公開的歉意。盡管他對量子計算的質疑常常令我感到動機不明和有些奇怪，但就目前而言，吉爾在2014年與金德勒（Kindler）的研究成果顯然有助於科學討論的健康發展。換句話說，至少在玻色取樣這個領域，事實證明吉爾的質疑是切中要害的。”
“對(九章)的其他質疑者是Google團隊的現任和前任成員，其中包括Sergio Boixo和John Martinis！而且更有趣的是，吉爾（Gil）與Google員工有效地合作，對(九章)新的說法提出了質疑。反對派中另一個中心人物是荷蘭量子光學教授和(Shtetl-Optimized)最佳評論員 Jelmer Renema，上周我從他那裏了解到許多與此有關的知識。”[2]
（ 譯注，“九章”論文審稿人觀點的大幅度轉變，很有可能是事後他與 Jelmer Renema 的交流有關，關於這位荷蘭光學專家的觀點下麵有專門的介紹。）
吉爾·凱萊（Gil Kalai）
以色列 Herzliya 研究中心數學及計算機教授、耶魯大學客座教授、質疑量子優勢派別的旗手
“已經很明確，依據 Kindler 和 mine 倆位專家在2014年的研究結果可以判斷，(九章)聲稱在200秒內實現(玻色)取樣如果在當前的超級計算機上需要運算數百萬年，這是沒有根據的。”[3]
為什麽所有“有噪聲的中等規模量子計算機”NISQ係統試圖達到大規模量子優勢(HQCA)以及量子錯誤校正(FTQC)都會失敗，我的主張是基於以下兩個判斷：
A）“令人信服的量子優勢HQCA演示必須等待量子容錯的到來”
B）量子容錯所需的量子糾錯碼所需的誤碼率甚至低於HQCA所需的誤碼率。
正如斯科特·亞倫森自己斷言的那樣，量子計算界中的許多人都同意（或曾經同意）主張A。並且對於主張B也有廣泛的共識和實驗證據。
John M. Martinis
美國加州大學UCSB物理係教授，國際著名量子計算機專家
“論文於周五發表，我一直在與一些理論家討論—這些都是世界上頂尖的理論家—我們對此有很多疑問。”
“所以，陪審團出來了。人們必須審視它。”“這就是科學要做的事情。”
“最後，你還必須進行糾錯，並且為了進行糾錯，它必須是可編程的。”
Sergio Boixo
穀歌量子計算理論部首席科學家
“不錯的實驗！但是，對於類似的取樣用經典方法很困難的觀點我們究竟有多確定？（九章論文中）圖3G和3H顯示實驗(誤差)概率分布高於隨機熱噪聲。但是我們知道理想的兩點擬合並不難計算（圖3F）。熱噪聲均勻采樣沒有正確的兩點擬合。如果我們經典取樣時使用每個模式的期望值和兩點擬合(這很容易嚐試),那麽與實驗相比，我們獲得的(誤差)概率分布會更低嗎？ ”
斯科特回應：“這是一個很好的問題。鑒於他（陸朝陽）也在關注這裏的討論，我順便向陸朝陽詢問一下，他是否嚐試過，結果又如何。”
Jelmer Renema
荷蘭 TWENTE 大學（適應性量子光學研究部門）副教授
《論文摘要(部分)》在這項研究工作中，我們演示了一種模擬玻色取樣的經典算法，該算法模擬存在光子損耗的情況下基於不可區分的玻色子的多體量子幹涉玻色取樣物理過程。我們的實驗是要確認維持量子優勢狀態下噪聲水平的最高允許值。研究表明，當前的光子技術未能達到該基準。這些結果使人們有充分理由質疑玻色取樣作為量子優勢證明的適用性。
如果想要弄明白玻色取樣中噪聲問題的嚴重性，請一定要認真閱讀這位荷蘭專家的論文：
Classical simulability of noisy boson sampling
必須聲明，以上所有觀點都不是我的，我僅是一個搬運工。翻譯不可能百分之百精準，為更正確地理解這些專家學者的觀點，請對照本文中的圖片和列於本文最後的相應原文，原文中還含有時間標簽。所有專家學者的原話也可在斯科特和吉米兩人的博客中找到，在他們的博客中還可以看到更多人士對“九章”的批評質疑。
我沒有資格、沒有能力也不想在國際量子計算專家與潘建偉團隊之間判定對錯，我隻是把國外專業人士對“九章”尖銳的批評和質疑盡量準確全麵地呈現出來，供讀者參考。俗話說，不怕不識貨，隻怕貨比貨。
最令人不可思議的是，潘團隊在辯解文章中竟然宣稱：“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，這也使得部分國際專家認為 “九章” 是目前唯一保持量子優越性的工作。”這樣的話也說得出口，令人難以置信。難道上麵列出的那些專家，包括他們論文的審稿人都不是“正式的專業小同行”？他們全都“對於量子計算和玻色取樣的專業概念的理解存在偏差”？
退一萬步，如果所有這些量子計算專家教授不幸全都錯了，那就更應該告訴國內公眾了，有什麽好害怕的呢？群眾眼睛是雪亮的，讓他們看到有這麽多外國量子計算專家反對但最後證明全反對錯了，這不更能展示潘建偉團隊力壓群雄引領世界的實力和風釆嗎？
其實研究過程中出點差錯在所難免，最不能接受的是千方百計地壓製批評誤導公眾。一個研究團隊的優秀強大，絕不是他掩蓋錯誤的能力，而是正視和糾正錯誤的能力。
讀到這裏，也許會產生這樣一個疑問，“九章”存在此嚴重的硬傷，怎麽可能會發表的《科學》雜誌上呢？對於這個問題還是看看“九章”論文審稿人自己的解釋吧。
“為什麽新的實驗盡管令人印象深刻，但卻可以用經典方法有效地模擬呢？這其中的關鍵原因是光子損失：正如陸朝陽現在已經明確證實（在原文中是隱含的）那樣，多達約70％的光子在通過分束器網絡時會丟失，僅剩下約30％的光子能檢測到。在我看來，至少對於“Fock state” 玻色取樣，即我和Alex Arkhipov在2011年提出的具有單光子輸入的玻色取樣，這樣高的光子損失率對於聲稱量子優勢是一個致命傷。”[4]
“我有些內疚，作為《科學》論文的審稿人之一—盡管被孩子和疫情所困擾—現在很明顯，我並沒有盡我所能地勤奮工作去及時製止新的量子優勢的主張。但是另一方麵我又認為，對於量子優勢的主張，就像對新密碼的提議一樣，鑒別不應隻是一兩個審閱者的責任。相反，如果主張是嚴肅的（這個案子顯然是這樣），那麽唯一要做的就是讓論文示眾，以便整個學界都可以行動起來把其擊斃。當作者和懷疑者之間的通訊不需要通過期刊的編輯部門時，交流的速度也快得多。”[5]
以上都是斯科特·亞倫森（Scott Aaronson）的原話，由此可知所謂的同行評議和審閱都有偏麵性和局限性，千萬不能把《科學》和《自然》上發的論文當作至高無上顛簸不破的真理。事實證明，這些高大上雜誌上發表的論文有不少後來被證明是無用的、甚至是錯誤的。
最後，談談我在閱讀了這些專家學者對“九章”量子優勢的批評和質疑後的一些心得。
1）令人信服的量子優勢(HQCA)演示必須等待量子容錯的到來
這個觀點已經是量子計算領域的共識，這其實也是顯而易見的。因為任何係統內部都有噪聲的，而容錯機製是克服噪聲保證計算精確的唯一行之有效的手段。
計算精確度是比較計算速度的前提。經典計算機在計算過程中要多精確可以有多精確，從來沒有什麽光子丟失，也沒有聽說過室溫變化會導致計算錯誤，計算結果可以在不同係統上反複驗證。沒有量子容錯的玻色取樣實驗要與經典計算機比速度意義又何在？
欲速則不達、慢工出細活，誰都知道做數學題準確是第一位的。在考場上，一個考生提早交卷，但是答卷上錯誤百出、漏題超過百分之七十，難道這個考生比準時交卷又全部答對的考生更優秀嗎？沒有量子容錯的量子優勢，不就是那個提早交卷但是錯答和漏題的考生嗎？
說到底，沒有糾算能力的實驗設備就不是計算機，這種實驗設備毫無資格與計算機比高低！
2）玻色取樣這類量子實驗裝置要取得量子優勢極為困難
玻色取樣係統內部的噪聲會因量子比特數的增加而急劇上升，“九章”係統光子大量丟失就是明證。為了壓製噪聲保證計算精確度，係統就需要把許多量子比特用來糾錯。換言之，希望增加量子比特以提高速度會得不償失。這就是“認為玻色取樣實驗是死胡同”的主要原因。
還有一點必須指出，如果把噪聲的因素考慮進去，經典計算機算法也可以改進後變成多項式加速，沒有量子容錯的玻色取樣哪來什麽量子優勢可言。
3）“九章”玻色取樣實驗的致命硬傷是大量光子丟失
從某種意義上來講，“九章”大量光子丟失就是係統存在嚴重噪聲的一種表現，“九章”也沒有“可編程”能力，當然量子容錯更談不上，所以認為“九章”實現量子優勢是沒有說服力的。
“九章”的實踐證明利用玻色取樣獲得量子優勢在技術上不可行，這其實是為質疑量子計算的陣營遞刀子，這大概就是“九章”存在的唯一意義。國際上有很多人在批評和質疑“九章”嗎，倒也不是，因為量子計算領域專家真正關注的是更本質更深層次的問題，他們否定量子優勢針對的是玻色取樣甚至所有量子計算裝置，他們才不會為了“九章”這樣一個特定的實驗去化費太多精力的。
這就像物理學家否定了永動機的可能性，他們一般不會為某人宣布做成了永動機而展開調查研究的。由此也可以解釋國內外批評“九章”的一些區別。國外把批評集中在玻色取樣和量子計算的物理原理層麵上，從根基上否決了目前實現量子優勢的可能性，因此他們對“九章”的一些細節並不太關心；國內對“九章”的批評更具體、更細致，著力在計算理論層麵上。我希望能促進雙方的學者專家有更好的交流，讓這場又關“九章”的爭議變得更有意義。
原文對照
[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)
參考資料
