量子優勢受質疑 三箭齊發討“九章”

最近，國際上出現了好幾篇質疑“九章”取得量子優勢的學術論文。其實中科大“九章”光學實驗設備的報道一出現，立即受到了國外量子計算專家的批評和質疑[1]，現在這幾篇論文隻是把批評質疑進一步學術化、正規化和係統化，論文通過計算分析和結果對比為否定“九章”取得量子優勢提供了確鑿的科學依據，為這場爭議寫下了休止符。

本文將對其中的三篇論文作些科普性的解讀，欲作深入了解的可閱讀原文[2]。

第一篇論文《高斯玻色釆樣實驗的高效近似算法》，作者全是穀歌量子計算和量子人工智能研究團隊中的精英分子，領頭的就是名聞遐邇的 Sergio Boixo（穀歌量子計算理論部首席科學家）。該論文簡直就是一篇針對中科大“九章”團隊的檄文，文章明確指出，複雜度僅為二次方的經典近似算法比“九章”實驗可以更精確地逼近理想的分布，這個事實足以否定“九章”取得了量子優勢。【The fact that a quadratic classical algorithm obtained a better approximation to the ideal distribution questions the computational hardness of the experiments in Refs. Zhong et al. (2020, 2021). 】

請看論文中的圖片3。圖中的黑色點線和紫色虛劃線分別對應於理想分布曲線和光學實驗結果，顏色為蘭、綠、橙、棕的直線分別為一級、二級和三級近似的經典計算結果。從圖的上部可以看出，二級以上的近似計算結果更吻合理想的分布曲線，圖片的下部顯示各種方法得到的結果與理想分布的統計偏差曲線，從中不難看出“九章”實驗結果與理想分布之間的偏差遠大於二級近似的計算結果。

 

這第二篇論文《高斯玻色釆樣取得量子優勢的局限》的作者是英國和歐洲著名的高校和科研機構的學者專家，他們推出了針對高斯玻色釆樣全新的的經典計算方法，極大地提高了計算速度和精度。

該算法把經典超級計算機精確計算出“九章”的實驗結果的時間由6億年縮短至72天，整整提高了9個數量級！如果把係統校正和參數輸入所需時間統一計入評估體係，“九章”的量子優勢就不成在。

 

 

前麵提到的二篇論文分別出自美國和英國的科學家之手，他們是否讓妒忌蒙蔽了雙眼？為求公正平衡不妨再加上一篇論文，第三篇論文的作者是俄羅斯頂級學術機構的量子計算領域專家，中國鐵杆盟友的科學家們又是如何看待“九章”所謂的量子優勢呢？

遺憾的是，這篇題為《破解高斯玻色采樣取得量子優勢的門檻》的論文和美英科學家的觀點是一致的，俄羅斯量子計算專家直言不違地否定“九章”取得量子優勢。具體來講，他們開發出高斯玻色釆樣的近似算法，算法是多項式複雜度。他們的算法的4級近似可得到與“九章”一致的結果，而且算法可以在筆記本電腦上運行。【Keeping in mind imperfections of the up-to-day experimental realizations, we consider our 4-th order method as been fully sufficient to claim emulation of the existing GBS devices at their level of accuracy.】

從內容來看，美、英、俄這三篇論文又可分為兩組。英國的論文是改進數值算法，讓超級計算機在可以接受的時間中對大規模的高斯玻色釆樣係統求得精確解；美、俄的論文屬於另一個類型，他們都是研製近似模擬算法，在計算速度上碾壓高斯玻色釆樣物理實驗，而在計算精度上等同或略優於實驗方法；前者強調的是計算精度，後者突出的是計算速度，他們從前後兩個方向夾擊“九章”實驗，真可謂“前有天塹，後有追兵。”在計算的精確度上“九章”根本無法接近前者的水平，在計算速度上又大幅落後於後者，“九章”實驗弄虛作假的空間受到嚴重壓縮，往後恐再難忽悠大眾。

像“九章”之類的玻色釆樣實驗的理論計算複雜度其實就是近似采樣的難度，而總偏差值是標準的驗證手段 【The theoretical computational hardness of boson sampling is based on the difficulty of approximate sampling, for which total variation distance is a standard measure. 】。因此“九章”要取得量子優勢的比較對象根本不應該是經典的精確數值算法，因為兩者的計算精度完全不在同一個層麵上。“九章”真正的競爭對手應該就是各種近似模擬算法，它們得到的數據都是近似值，可以通過統計學的總偏差值(total variation distance) 來判定所得數據的準確性。很明顯，這些近似模擬算法得到的釆樣結果在質量上略優於“九章”實驗，而釆樣的速度甩掉“九章”幾條街，“九章”的量子優勢究竟又在哪裏？

其實“量子優勢”本是個偽課題。量子計算機的理論基礎至今沒有得到科學家的廣泛認可，四十年多年過去了，量子計算機在實際應用上是一籌莫展。如果量子計算機真能解決一個經典計算機對之朿手無策的數學問題，比如說，量子計算機真的破解了1024位的RSA公鑰密碼算法，這不全結了，用洪荒之力搞“量子優勢”就是多此一舉！說穿了，“量子優勢”的炒作其實就是量子計算遭受嚴重挫折的映射和寫照。

如果說量子計算研究人員像是體育界的專業博擊運動員，那麽量子優勢研究團隊就更像是江湖上的武林門派，他們熱衷於花拳繡腿，喜歡在沒有明確鑒別標準的場合下炫酷。但是時間長了終於有人忍不住了，一下子出來幾篇論文，為高斯玻色釆樣的速度和質量建立了量化標準，掃除了量子優勢定義上的模糊和不確定性，這立即就把“九章”實驗打回了原形，讓所謂的“快億億億倍”成為一個笑話！

關於這三篇質疑“九章”光量子實驗的論文，還有以下幾點值得關注。

1）英國學者提出的經典算法針對的是理想化高斯玻色釆樣的物理過程，由此得到的結果遠比“九章”之類的實驗結果精確可靠。當然經典算法也可充分利用“九章”實驗中“光子損失”、“光子可區分性”等等缺陷和漏洞，在保持計算精度優勢的基礎上進一步提升計算速度，讓“九章”所謂的量子優勢成為泡影。

2）英國學者在論文中特別指出，對於高斯玻色釆樣物理實驗，在檢測端使用計數式受感器比增加閥值受感器數量更為有效，而且單純通過增加受感器數量擴大GBS實驗規模會導致實驗數據質量的下降，是得不償失的。但是好大喜功、追求新聞效果是中科大量子科研團隊的一貫作風，這在量子通信工程化過程中已經表現得淋漓盡致，現在又在量子計算的研究中重蹈覆轍。

 

3）英國學者的研究成果具有不能忽視的另類意義。長期以來，所謂的GBS量子優勢其實都是在自說自話，因為當光子數目大於60以後，經典超級計算機需要幾年甚至更長時間才能得到結果，所以基本上一直處於無法驗證的狀態。現在情況有了根本性轉變，英國學者研製的新算法使得直接驗證“九章”大部分實驗數據的正確性成為可能，醜媳婦總得要見公婆，宣稱量子優勢的某些人可能要坐臥不安了，沒有計算正確性的量子優勢一文也不值。

4）這三篇論文提出了多達5種適用於高斯玻色釆樣的經典計算方法，這些經典算法各有所長，它們速度快、精度高、並且靈活多變可對各種特定的玻色采樣實驗係統作出數值模擬。利用玻色采樣實驗取得量子優勢目前為止沒有可能性。

5）英、美兩篇論文的質疑包括“九章”原型機和“九章”的改進版。

 

更多批評質疑“九章”的文章可到 http://lingyu.blog/ 查詢，謝謝。

 

參考資料

[1] https://lingyu.blog/2021/09/25/國外量子計算專家對九章實驗結果的批評和質/

[2] 原始論文鏈接：

Efficient approximation of experimental Gaussian boson sampling

https://arxiv.org/pdf/2109.11525.pdf

The Boundary for Quantum Advantage in Gaussian Boson Sampling

https://arxiv.org/pdf/2108.01622.pdf 

Cracking the Quantum Advantage threshold for Gaussian Boson Sampling

https://arxiv.org/pdf/2106.01445.pdf

 

[洞庭東山人]

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