作者对涂传诒先生等若干网络评论文章的回复
争鸣
知识分子
2021-03-18
以下文章来源于墨子沙龙，作者陆朝阳
潘建伟
编者按
2020年12月，中国科学技术大学潘建伟团队在《科学》期刊发表题为“利用光子实现量子计算优越性”（Quantum computational advantage using photons）的研究论文，表示成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。该工作受到多家知名国际科技媒体的报道，也在国内引发了热议。
其中，空间物理学专家、北京大学涂传诒院士多次在公众号发表质疑文章，称“九章”机器不是量子计算机，不能直接显示量子计算的优越性。此外，网络上也出现了诸多科学爱好者的各种评论。对此，“九章”团队怎么看？为了提供一个开放的科学讨论平台，“知识分子”与“墨子沙龙”邀请到陆朝阳和潘建伟就相关疑问进行回复，并获涂传诒授权转载其质疑问题。现一并刊登，以飨读者。
墨子沙龙是中国科学技术大学上海研究院于2016年起举办的沙龙活动，主要以面向大众的自然科学科普为主，后期还将陆续添加人文、艺术、健康等主题的讲座或讨论内容。墨子沙龙每月一次，邀请国内外知名科学家为大家讲述科学的那些事儿。
撰文 | 陆朝阳
潘建伟
构建“九章”光量子计算原型机并实现量子计算优越性的论文正式发表后，短短时间内在美国《科学》网站的全文阅读量已经达到26万次。这个工作不仅吸引了量子计算领域同行的广泛关注，也引发了其他领域学者和社会公众的兴趣。
例如，研究“空间物理学、太阳风湍流、太阳风动力学与日球层物理”的北京大学涂传诒院士多次在公众号发表质疑文章，长期多次来信与我们交流，并发函至中国科学院发表意见。涂传诒院士主要有两个质疑：
1. “九章”不是量子计算机，没有实现量子计算优越性。
2. “九章”论文和中国科大的新闻稿使民众误认为实现了通用量子计算机。
笔者非常感谢涂先生对我们工作的关注，对于他的质疑，我们给出如下回答：
1. 根据量子信息领域国际学术界长期确立的定义和共识，“九章”毫无疑问是光量子计算机。根据严格的计算复杂度证明、实验数据论证、国际评审以及广泛的同行评价，“九章”在目前最好的理论框架下，明确无误地实现了量子计算优越性。
2. “九章”论文和中国科大的新闻通稿都清楚地表明了“九章”实现了量子计算三个里程碑中的第一个里程碑“量子计算优越性”。凡是认真阅读过九章论文和新闻稿的读者，都不会误解“九章”是通用量子计算机。
结合其他流传的网络评论文章，笔者分析了引起质疑的原因，认为可能是由于涂先生和部分科学爱好者对于量子计算和玻色取样的专业概念的理解存在偏差。对此，我们在如下回复中进行了详细阐述。
国际学术界对于“量子计算机”的定义和词汇使用
2010年，六位在不同物理系统上（光学、超导、离子阱、固态等）研究量子计算的资深专家在《自然》（Nature）杂志上发表了题目为“Quantum computers”（量子计算机）的综述论文，文中第一句话就定义了量子计算机：“量子计算机是一个利用多粒子量子波函数的复杂性来解决计算难题的机器。
”（“a quantum computer: a machine that would exploit the full complexity of a many-particle quantum wavefunction to solve a computational problem.”）维基百科（quantum computing词条）上对量子计算的定义为：“量子计算是指利用相干叠加和纠缠等量子现象来执行计算。
”（“Quantum computing is the use of quantum phenomena such as superposition and entanglement to perform computation.”）在这一定义下，“量子计算机”已经被国际学术界长期使用。
据不完全统计，1998年以来（当时量子计算实验技术刚刚起步，只能做两个物理比特和最简单的实验演示），包括David J. Wineland（因为量子计算等获得2012年诺贝尔物理学奖）、Peter Zoller（2013年沃尔夫物理学奖）、Anton Zeilinger（2010年沃尔夫物理学奖）、Rainer Blatt（美国科学院院士）等在内的国际量子计算研究先驱在他们利用原子、离子、核磁、光子等开展量子计算实验研究的文章题目中就已经醒目地使用“quantum computer”（“量子计算机”）一词。
列举几个例子：
● Hansen, et al. Implementation of a quantum search algorithm on a quantum computer. Nature 393, 344 (1998).
● Wineland, et al. Experimental Primer on the Trapped Ion Quantum Computer. Fortschritte der Physik, 46, 363 (1998).
● Blatt, et al. Implementation of the Deutsch–Jozsa algorithm on an ion-trap quantum computer. Nature 421, 48 (2003).
● Zeilinger, et al. Experimental realization of Deutsch's algorithm in a one-way quantum computer. PRL 98 140501 (2007).
● Blatt, et al. Deterministic entanglement swapping with an ion-trap quantum computer. Nature Physics 4, 839 (2008).
● Zoller, & Blatt, et al. Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer. Nature 534, 516 (2016).
“九章”论文经过正常的国际同行评议，发表在《科学》期刊上。论文的摘要里就明确指出“The photonic quantum computer, Jiuzhang, generates up to 76 output photon……”（这一光量子计算机，九章，产生了高达76个输出光子……）。所以，涂先生说的“量子计算机这一说法没有出处”显然与事实不符。
综上，“九章”光量子计算机这一名词的使用完全符合国际学术界长期建立起来的规范和标准的定义。
“九章”实现量子计算优越性的科学意义
“九章”最重要的科学贡献是首次显示了基于光子的量子计算机在特定问题求解方面超越了最强大的超级计算机（根据目前最好理论，快一百万亿倍），使我国首次利用光子体系达到量子计算优越性里程碑。
在现代科学高度细化的今天，即使是同一个大领域的学者也无法很快详细了解一个子方向的细节和物理意义。因此，现代科学的通行规则是由专业的小同行来进行学术评价。“九章”的文章题目是“Quantum computational advantage using photons”，就清清楚楚地宣称了“利用光子实现量子计算优越性”，这一宣称是经过严格的国际同行的匿名评审的。
“九章”论文在线发表三个月，这一宣称已被包括来自哈佛、普林斯顿、斯坦福、牛津、耶鲁、MIT、NIST、ETH以及谷歌、微软、IBM等单位的国际同行正面引用90余次（Google Scholar）。这里仅举几个同行评价的例子（更多材料请见文后附件）：
● 来自哈佛大学、麻省理工学院、英国帝国理工学院、加拿大多伦多大学、新加坡国立大学等的15名国际知名学者应邀为《现代物理评论》（Reviews of Modern Physics）誊写的预印本论文中（arXiv:2101.08448，第4页），提到“除了谷歌之外，另外一个量子计算优越性实验由潘建伟小组完成，他们利用‘九章’光量子计算机完成了高斯玻色取样任务”（“An additional quantum advantage experiment was carried out by Jian-Wei Pan’s group using a Jiuzhang photonic quantum computer performing Gaussian boson sampling (GBS) …”）
● 瑞典皇家理工学院的Val Zwiller教授在《Advanced Photonics》期刊发表评述文章，评价：“在超导和光子系统中实现量子计算优越性可以被看作是第一个人造卫星Sputnik时刻，如同20世纪的太空竞赛一样，量子竞赛正在形成，而新技术将释放巨大的优势。主要的应用还有待发明，就像在Sputnik时代，全球卫星定位系统GPS还没有被设想过一样。
”（“Demonstrations of quantum computational advantage in superconducting and photonic systems can be seen as a Sputnik moment where, much like for the space race in the 20th century, a quantum race is taking shape where new technologies will unleash massive advantages. The main applications remain to be invented, much like the GPS had not yet been imagined in the days of Sputnik。
”）
Sputnik是苏联发射的首颗人造卫星，预示了太空时代的开始。虽然Sputnik没有实用的功能，只会绕地球旋转发出周期性的“哔哔”的声音，但是它首次展示了人类探索太空的能力。
● 麻省理工学院教授Dirk Englund在接受媒体采访中评价：“这是一个划时代的成果。这是开发这些中型量子计算机的里程碑。”（“This is a momentous result. It’s a milestone in development these intermediate scale quantum computers.”）
综上，根据国际专业评审以及广泛的同行评价，“九章”在目前的理论框架下明确无误演示了量子计算优越性，该工作的重要性获得了国际学术界的高度评价。
国际科学媒体对“九章”的报道
“九章”论文发表之后，在《科学》网站的全文阅读量已经达到26万次（一般发表在《自然》和《科学》上的物理类论文全文阅读量同期平均大约是三千次），在推特上阅读量超过600万，被包括《自然》、《科学美国人》、《新科学家》等在内的百余家国际科技媒体积极报道。举几个例子（全文和更多报道请见附件）：
● 《自然》新闻 – 中国物理学家向谷歌“量子计算优越性”发起挑战：光量子计算机实现经典计算机永远无法完成的运算。
（Nature News – Physicists in China challenge Google's 'quantum advantage': Photon-based quantum computer does a calculation that ordinary computers might never be able to do.）
● 《科学美国人》– 光量子计算机超过全球运算最快的经典计算机。（Scientific American – Light-Based Quantum Computer Exceeds Fastest Classical Supercomputers.）
● 《新科学家》– 测量光的量子计算机实现量子霸权。（New Scientist – A quantum computer that measures light has achieved quantum supremacy.）
● 《科学新闻》– “九章”新型光学量子计算机实现量子霸权。（Science News – The new light-based quantum computer Jiuzhang has achieved quantum supremacy.）
中国科大的新闻通稿和科普努力
一方面，国际学术界和国际媒体广泛使用“量子计算机”标题对“九章”进行了报道并给予了高度赞誉；另一方面，考虑到国内舆论环境、创新氛围不同，部分领域的学者对于科技创新的新名词可能抱有非常传统和保守的态度，为了避免引起外界的过度解读，中国科大课题组努力采取了更加中性的表述：
首先，为了避免论文被误读为容错的通用量子计算机，“九章”论文前言明确指出：“建造可以用来运行Shor算法的容错量子计算机还需要长期的努力。”（Building a fault-tolerant quantum computer to run Shor’s algorithm, however, still requires long-term efforts）
其次，尽管先前谷歌和媒体用了“量子霸权”（quantum supremacy）一词来报道谷歌“悬铃木”的工作，中国科大课题组为了避免“量子霸权”一词带来的潜在的政治风险和不必要的炒作，在论文和新闻通稿中都采用了更中性的“量子计算优越性”（quantum computational advantage）一词。
第三，在新闻通稿中特意用了“量子计算原型机”（prototype）的称呼，以此强调还处于实验室研究阶段，离实用化还有距离。
第四，为了避免公众和媒体误读为已经实现了通用量子计算机，新闻通稿特别给出了量子计算发展的三步走的里程碑，并明确指出“九章”工作和谷歌的“悬铃木”一样是第一步，而容错通用量子计算机是第三步。
发布在中国科大主页的新闻通稿相关阐述部分如下：
对于量子计算机的研究，本领域的国际同行公认有三个指标性的发展阶段：
(1) 发展具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现“量子计算优越性”的里程碑。
(2) 通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题（如量子化学、新材料设计、优化算法等）。
(3) 通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特数目（百万量级），实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。
第五，在论文结果闭门介绍会上，中国科大邀请了部分媒体记者和课题组成员进行了当面交流，力求宣传报道准确严谨。官方发布的新闻通稿的科学解读强调了三步走的里程碑，明确指出该实验是第一步。
第六，尽管做了上述努力，在复杂多变的信息传播过程中，依然不可避免地出现了一些对相关工作了解不够的媒体和个人公众号的过度解读。中国科大课题组一贯反对科技宣传的浮夸风，为澄清相关科学概念，课题组成 员潘建伟和陆朝阳主动参加了“知识分子”等媒体组织的线上直播（点击量超过两百万），以科学积极的态度回应公众和经典计算领域相关专家的争议。
如上所述，量子计算机是量子力学诞生之后国际学术界形成的对计算的更深刻的定义，是被国际同行广泛认可的。在线上直播中，为了更好地向经典计算领域的专家解释相应部件的原理，如果非要套用经典计算机的定义，课题组成员借用了更加细化的称呼“专用量子计算机”、或者和CPU（经典计算机的核心：中央处理器）对应的QPU（“量子处理器”）。显然，这些说法丝毫不削弱工作本身的重大科学意义，也不应该被断章取义。
质疑文章对部分专业概念的理解偏差
对量子计算和玻色取样的理解存在偏差
在多篇公众号文章中，涂先生的一个主要观点是：“九章”解决的玻色取样不是计算过程，因而不能显示光量子计算的优越性。首先，如前所述，根据国际学术界长期建立的对“量子计算机”的科学定义和广泛使用，“九章”毫无疑问是光量子计算机。
其次，关于“玻色取样”这一抽象问题的理解，涂先生的主要理解偏差在于认为它“不能求解任何事先给定的数学问题”、“不是对任何事先给定的数学函数给定的输入值为求输出值而设计的。玻色采样是相干子通过光子干涉仪的物理实验，输入光子是非高斯分布，而输出光子是高斯分布。
”确实，非本专业的学者希望在很短时间内理解抽象的玻色取样参考文献（包括110页的包含大量数学推导的Aaronson-Arkhipov 2013原始论文）是比较困难的。
事实上：
（1）玻色取样是一个非常清晰定义的有输入输出的计算过程：给出一个事先给定的N*N的幺正矩阵，计算任务就是由经典计算机和量子计算机给出和该矩阵的积和式(Permanent)相关的输出样本（可参阅牛津大学课题组发表的Science 339, 798 (2013)论文的第三段）。计算积和式是一个典型的#P-hard问题，随问题规模变大需要指数量级的计算时间。
（2）正因为玻色取样是一个定义清晰的数学问题，因此被国际学术界公认为是用来证明量子计算优越性的理想算法，如2017年发表在Nature 549, 203-209的文章“量子计算优越性”（Quantum computational supremacy）所大篇幅论述和明确指出的。
（3）涂先生对非本专业的量子光学概念存在一些误解，例如，玻色取样输入的不是“相干子”（否则计算过程就变得非常简单了），而是非经典的全同单光子或者压缩态，输出光子也不是“高斯分布”，而是由该矩阵积和式决定的一个复杂分布。
涂先生和部分科学爱好者吐槽：“九章1+1=2都算不了。”通过调节硬件设置，“九章”很容易可以计算1+1=2，但是这无异于杀鸡用牛刀。
事实上，涂先生和少数网民指出来的事是15年前领域的发展水平。2005年，中国科大研究组首次实现了独立光子之间的非破坏性控制逻辑非门CNOT（PRL 94, 030501），利用CNOT就可以实现加法器。
2007年，在此基础上，研究组演示了最简单的大数分解算法例子，把15分解为3乘以5（PRL 99, 250504），该工作被美国物理学会、《新科学家》等报道，入选了“中国基础研究十大进展”和“中国高校十大科技进展”。这些工作是国际上最早利用光子比特开展的通用量子计算研究。但是，如新闻通稿里面路线图指出的，这个方向还需要长期努力，做到几百万个高保真度量子比特才能体现量子优势。
所以，量子计算领域的专家一直在设计更巧妙的计算路径。“九章”就是其中一种。
量子计算研究的核心目的是，对于一些经典计算机难以求解的问题，利用量子叠加和纠缠的原理，提供新型高效的解决方案。量子计算机面向的任务不是简单的加减乘除、文字输入等，而是高复杂度的大数分解、量子化学、面向大数据的人工智能等。例如，“九章”用来解决的是高斯玻色取样这一和计算复杂度理论中的“#P-hard”相关的难题，并由此为排除“扩展丘奇-图灵论题”提供了实验证据。
为了更便于理解，我们举一个贴近生活的例子。如同量子计算机的研究是为了解决传统计算机难以求解的问提，汽车、飞机和火箭的产生也是为了突破先前传统交通工具难以企及的界线。但是，人们不会追求“大而全”，而要求飞机要载人散步爬楼梯，等等。
另外，对于民科臆想的一些驳倒“九章”的令人啼笑皆非的点子，诸如用手电筒在装满镜子的屋子里乱照一通来超越经典计算机、用大型高尔顿板来超越经典计算机，感兴趣的读者可以参阅中国科学院科学传播研究中心副主任袁岚峰的一篇科普文章（量子计算机不是计算机？键盘侠们会对美国这样说吗？）。
明显地，根据严格计算复杂度证明、实验数据论证、国际评审以及广泛的同行评价，“九章”量子计算机在目前最好的理论框架下，明确无误地实现了量子计算优越性。事实上，对于严肃的学术质疑，已经有标准的国际规范，如果有不同的见解，任何人都可以往Science投稿一篇Comment学术论文，进行同行评审，引起量子计算学术界的关注。
例如，谷歌于2019年利用超导量子计算芯片“悬铃木”实现量子计算优越性的论文就曾被IBM、阿里巴巴，以及最近中科院理论物理所的同行评论，相关学术论文发布在arXiv，以严谨的论证和算法创新极大地挑战了谷歌的实验。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。
中国科大研究团队非常欢迎严谨科学的学术质疑，正如新闻通稿写的：“研究人员希望这个工作能够激发更多的经典算法模拟方面的工作，也预计将来会有提升的空间。量子优越性实验并不是一个一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争，但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。”
后记：名字重要？还是解决问题能力重要？
最后，笔者觉得，叫什么名字是不重要的，重要的是能干什么。
套用一句名言：“解决问题的能力是评价量子计算的唯一标准。”对于广大民众，想要了解科学，要有科学的思维，一定要分辨清楚科学关心的是什么？对于量子计算来说，我们关心的是有没有超越人类当前操纵物质世界的能力？能不能更高效地算清楚更多的东西？造出一个利用全新的原理允许的计算装置，并具备超越经典计算机解决问题的能力，是核心科学目标。如果非要咬文嚼字，很多科技创新就会陷入被旧认知口诛笔伐的境地。
太空飞船一定要是在水里游的船吗？机器“人”一定要按照原来的“人”的标准来定义吗？原子“弹”非要遵循常规子弹的条条框框吗？分子“马达”必须长得符合普通大众对马达的固有印象吗？
笔者再次感谢涂先生对我们工作的关心和对我们实验的高度评价。正因为我们非常敬佩他认真的态度，本着求真的精神，我们也非常认真地指出他并没有完全理解该实验涉及到的量子计算知识。当然，这是非常正常和普遍的现象。
回顾科学发展史，包括量子力学在内的许多新概念和技术在其产生的初期，都不被包括许多知名科学家在内的学界和公众理解，而往往都需要一定的时间才被逐步接受和广泛认可。量子信息科学从本世纪初在国内甚至被认为是伪科学，到目前成为几乎所有发达国家的重大战略，该领域也是一直在质疑声中不断成长和被接受。在这个过程中，我国已经逐步取得了在量子通信领域领跑和在量子计算领域并跑的公认的国际地位。
我们会继续充满着极大的感恩、耐心和信心，努力取得更好的成绩回馈社会。
参考资料：
[1] Quantum computational advantage using photons；中国科学家实现“量子计算优越性”里程碑
[2] 杂谈｜是量子计算，还是光学实验？（微信公众号“pku空间所”，2020-12-21）
[3] 对“九章-光量子计算机”的理解（微信公众号“pku空间所”，2021-3-11）
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附文一：杂谈｜是量子计算，还是光学实验？（涂传诒，于2020-12-21发表在公众号“pku空间所”）
引言
中国科技大学潘建伟团队于2020年12月3日在SCIENCE发表First release report，H.-S. Zhong et al., Science 10.1126/science.abe8770 (2020)（附件1），发表“高斯玻色取样”的实验结果，有76个被探测到的光子，这个被探测到的光子，这远远超过了先前创下的有5个被测光子的纪录。
《科学》杂志审稿人认为，此项成果是“一个最先进的实验”；“这个实验不存在争论”；“这个实验技术挑战非常巨大”。加拿大卡尔加里大学教授、量子科学和技术研究所所长Barry Sanders说“为了获得此结果，他们必须解决许多非常困难的技术问题。仅仅在技术层面上，他们所取得的成就也令人印象深刻。这是人们梦寐以求的实验，他们做成了，让梦想走进现实。”（附件2，附件5）。
确实，对于实验的先进性、实验解决的问题、实验技术的挑战，没有争论。但是，人们对《科学》文章报道的内容，是物理实验还是量子计算，有不同看法。SCIENCE文章（附件1）的标题是“Quantum computational advantage using photons”（用光子进行量子计算的优越性）。由此标题可看出，该文认为其用光子做的实验就是量子计算，比起当代超级计算机有优越性。
该文导致出现了如下有很大争议的评价：九章量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍；“九章”一分钟完成的任务，超级计算机需要一亿年；等效速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。对此，人们提出如下的概念性的或者是逻辑性的问题（附件3）：SCIENCE文章模拟“高斯玻色取样”的过程是物理实验还是量子计算？实验装置是不是量子计算机？
实验获得结果的速度与超级计算机数值模拟该项任务的速度比较是否有意义？讨论这些问题不涉及学术，但是这是一个社会关心的热点问题，讨论这一问题，对于厘清相关名词和语言的概念是重要的，对于准确描述相关科技现状是重要的，对于公众的理解是重要的。本文将详细讨论这些问题。
本文结论是，该SCIENCE文章，混淆了“实验”和“计算”的概念，所做的光学实验与量子计算无关，“九章”机器不是量子计算机，不能直接显示量子计算的优越性。本文分段如下：
2. SCIENCE文章内容的科普理解；
3. SCIENCE文章描述的过程是物理实验还是量子计算？该装置是光学实验设备还是是量子计算机？
4. 实验获得结果的速度与超级计算机数值模拟的速度比较有没有意义？
5. 结论。
SCIENCE文章内容的科普理解
我们先简单科普一下“玻色取样”问题。所谓“玻色取样”问题，可以解释成一个量子世界的高尔顿板。这个问题的模型如图1所示，小球从最上方被扔下，每经过一个钉板，都有一半的可能从左边走，一半的可能从右边走，当有很多个小球从上往下随机掉落时，落在下面的格子里的小球数量分布上会呈现一定的统计规律（高斯分布）。
图1，高尔顿板问题。左图，原理；右图，真实实验的照片。
下图显示“玻色取样”的基本概念：当n个全同玻色子经过一个干涉仪（线性变换器）之后，求特定分布的输出概率。这就是一种量子版的“高尔顿板”问题。就像图二展示的那样，小球变成了光子，钉板变成了分束器，若干个光子进入网格之后，经过分束器组成的干涉仪，最终分别在哪些出口被探测到，记录下来，就是一个采样。积累之后，光子数也会有一个分布。每一种采样结果都对应一个概率。全部可能的采样结果就构成输出态的态空间。
见下图，左图示出原理，右图示出九章实验的结果。
图2：左图，“九章”实验的原理图，光子干涉网络和结果分布的示意图。右图，最终探测到的光子数分布。这高斯分布横轴最高的数目是76个光子。
与利用硅处理器构建的传统计算机不同，“九章”机器（该文称他们的高斯取样装置为九章机器）是一个由激光器、反射镜、棱镜、分束器和光子探测器组成的精密桌面装置，见下图。
图3：“九章”量子计算原型机光路系统原理图（上图）：左上方激光系统产生高峰值功率飞秒脉冲；左方25个光源通过参量下转换过程产生50路3单模压缩态输入到右方100模式光量子干涉网络；最后利用100个高效率超导单光子探测器对干涉仪输出光量子态进行探测。
制图：陆朝阳 彭礼超。
下图是实际装置的照片。
《科学美国人》月刊网站12月3日报道给出如下描述（附件4），“九章”的运行从一束激光开始，这束激光被分成若干束，去打击25个由磷酸氧钛钾制成的晶体。每一个晶体被击中后，它会可靠地向两个相反方向吐出光子。然后这些光子被送入光量子干涉网络的100个输入端，在那里它们快速穿过一条由300个棱镜和75面反射镜组成的路径。最后，这些光子落在100条狭缝中，并在那里被探测到。
实验运行的平均时间为200多秒，中科大团队在每次运行中平均探测到大约43个光子。但在有一次运行中，他们观测到76个光子。
是物理实验还是量子计算？
要评析该文章的结论，我们首先要搞清楚两个核心问题，这篇SCIENCE文章中描述的过程，究竟是物理实验过程，还是是量子计算过程？相应装置是光学实验设备，还是量子计算机？
物理实验与计算机计算的区别是：在物理实验中，在初条件给定后，各个中间物理过程以及结果都是真实自然发生的。而在计算机模拟计算中，这些中间过程都是利用对相应的物理定律的数学描述，用数学方法计算出来自然。由于对于相应物理规律认识的局限性，又由于计算机条件的限制，数值模拟计算很难精确再现自然。
例如两个真实的小球相碰的实验。给定两个小球的初速度，碰撞后自然弹开，可以测量实验结果，两个球的末速度。但是在数字计算过程中，需要计算小球的质量、入射角度、速度、小球表面弧度、硬度，碰撞时表面的压缩过程等等，然后才可以计算出小球碰后的状态。
我们看到，两者的差别是明显的。物理实验是真实发生的物理过程，而计算机的模拟计算是根据相应物理规律的数学描述通过计算再现相应物理过程。再精确的数值模拟结果，都不是客观真实发生的。
SCIENCE文章报道的“高斯玻色取样”的物理实验中，各个中间过程中，都是真实发生的物理过程，这些物理过程都是“玻色取样”要求的。最后模拟的结果（见图2右图的分布）是实时物理过程的统计。
整个过程没有引入任何基于物理规律的计算。这显然是一个物理实验过程，而不是任何计算过程。用真实的光学实验实现了“高斯玻色取样”问题的要求，实验直接给出了结果，没有任何常规和量子的计算介入。这一光学实验，可以看做是光量子模拟实验，与量子计算机的数值模拟计算没有任何关系。量子计算与量子模拟的区别早有明确的定义，见附件7第九段。
该文定义，“量子计算机的功能是数值量子模拟装置（“digital” quantum simulator），而模拟量子模拟装置（“analog” quantum simulators）是一个可定制的系统。”
“一个通用的量子计算机应该有高度的适应性，能够有效模拟任意合理的物理系统，而模拟量子模拟装置有内在的限制。”后者应该是专用的。九章机器是量子模拟器，而不应该叫做量子计算机。
但是，有时，人们称呼显示某些给出数学问题的解的量子模拟装置为“计算机”，但是这只是一种约定俗称的称呼。例如，图1右图显示了真实的很多黄色小球放入高尔顿板导致的分布，这是这是真实的实验，而不是计算出来的。然而，附件6，Figure1（就是本文图1，高尔顿板问题的左图）的说明，称高尔顿通板就是一个简单的“计算机”。
注意，这里是带引号的计算机，应该是一种非正式的称呼，需要明确表示出来，不然，就混淆了数值计算机与模拟装置的概念。虽然模拟给出了数学问题的解，但是没有计算功能的装置，不能称为计算机。
实际上SCIENCE文章正文明确认为他们所做的是实验，而不是计算。
该文用下面的句子开始描述“九章”机器，“We name our GBS machine Jiuzhang. We start describing the experimental results from……”，（我们把我们的GBS机器名为“九章”，我们从……开始描述实验结果）这表明，“九章”机器是用来做实验的。
该文也明确表明他们的结果是“实验结果”（experimental result）；“实验确认”（Experimental validation）的结果。例如，Fig3的说明：图4，SCIENCE文章中Fig. 3的说明。4次用“实验”来描述他们的结果。该SCIENCE文章的这些描述，与人们的理解是完全一致的。
在SCIENCE文章描述的“高斯玻色取样”的实验中，光子经历的都是实际的物理过程-光子干涉，没有任何计算结果介入。在任何意义上说，测到的76个光子都是真实存在的，不是计算出来的。这套设备可以说是“玻色取样”专用物理实验模拟机，绝对不是量子计算机。
但是，该SCIENCE文章出现了自相矛盾的观点。虽然该文认为所获得的结果都是实验得出的结果，但是该文标题是“用光子进行量子计算的优越性”。
该文摘要强调，该文设备是光子量子计算机，该文结果是这台计算机产生的。该文摘要指出：“The photonic quantum computer generates up to 76 output photon clicks”（这台光子量子计算机产生了最多76个输出光子）。这里，人们不理解，既然这76个光子是观测到的真实的光子，他们怎么可能通过量子计算产生？
图5. SCIENCE文章的标题和摘要
人们不明白，“The photonic quantum computer”（这台光量子计算机）的含义。摘要中出现的这一名词是全文唯一的出现。该文对于这一名词没有任何解释。全文唯一的出现。该文以这样一个定冠词“The”开头的词组（这光量子计算机）来“定义”这一套光学设备就是量子计算机，不符合人们通常的语言表达逻辑，或者说不符合语法。通常在“The”开头的词组出现之前，需要有说明或者定义。
这里需要说明，量子计算机的概念和定义，现有的设备符合这一定义的要求，因而说这些设备是量子计算机。该文没有任何说明，武断给出这光量子计算机一词。根据这一不符合逻辑的“定义”，“九章”机器就是“九章”量子计算机了，“高斯玻色取样”的实验就是量子计算了。违规使用这个定冠词就把“实验”和“计算”混淆起来了。科学家可以造出普通人不懂的新词汇，但是科学家不能改变通常语言的习惯和含义。
什么是“实验”，什么是“计算”，人们有着通常的理解，没有“计算”功能的机器就不能说是“计算机”。当然，将来的量子计算机，可能将是由一套光学设备组成，由光子在复杂光路中运行来完成计算任务。但是光子在计算机中所经历的物理过程应该与计算任务要描述的物理过程没有关联。也就是说，计算机是通过计算来求得解答的，而不是通过直接的实验来求得解答，后者是专门物理模拟实验设备，而不是计算机。
就像电子在电子计算机半导体器件中经历的物理过程与计算机计算的课题没有关联一样。如果给的计算任务是模拟计算鸡蛋的生成过程，不能找一个鸡下个蛋就算是解答问题了，更不能定义这母鸡下蛋过程就是计算过程，不能定义这母鸡就是计算机。
与超级计算机速度的比较有意义吗？
既然SCIENCE文章获得的结果来自于实验，那么将实验获得结果的速度与超级计算机数值模拟的速度比较有没有意义？
该SCIENCE文章在摘要中强调“这电子计算机给出的采样率比顶尖水准的模拟方法和超级计算机要快10^14倍”（The photonic quantum computer…… a sampling rate that is ~10^14 faster than using the state-of-the-art simulation strategy and supercomputers）。
下图是该文给出的对于输出不同数目的光子的实验的比较结果。但实际上，这一速度的比较是没有意义的。
图6，“九章”相对于太湖之光的优势比较根据目前最优的经典算法，“九章”花200秒采集到的5000个样本，如果用我国的“太湖之光”，需要运行25亿年，如果用目前世界排名第一的超级计算机“富岳”，也需要6亿年。这样的优势十分明显。
我们可以等效地对比去年谷歌发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”：对于“悬铃木”来说，200秒完成的任务，超算Summit需要2天，考虑Summit和富岳的算力差距，“九章”等效地比“悬铃木”快100亿倍。
从一般逻辑思维来看，人们只能在相同的计算任务的情况下，才能比较两个计算机的计算快慢。通常要比较两辆汽车速度的快慢，他们必须跑相同的路线。
所谓量子计算的计算能力超过经典计算机的计算能力，是指对于明确给出的数据、和清晰的计算过程的计算的比较。像玻色取样的实验不是适合比较的课题，因为其中间过程中每个节点的光信号的变化，都是自然干涉的结果，都是客观物理过程。而数字计算机需要根据物理规律计算来描述这些物理反应的过程，因而费时而且难以得到精确结果。
“九章”机器通过物理过程来实现的速度，是物理模拟实验的速度，不能与任何计算机数值模拟的速度比较（附件3）。计算机数值模拟很快发生的真实的物理过程需要很长的时间，是一个大家都知道的普遍现象。例如，模拟核弹爆炸，超级计算机要计算很长时间，但是真正的核弹爆炸生成爆炸参数就那么一瞬间。比较核弹爆炸时间与用超级计算机进行数值模拟所需要的时间没有意义。两者不是同类事物。
SCIENCE文章的这种比较，没有意义。因为SCIENCE文章所描述的设备（九章机器）不是量子计算机，既不能存储也不能计算。那是一台“玻色取样”专用光学实验模拟设备。把光学实验设备的实验时间，与超级计算机的数值模拟速度比较，是没有意义的。别说快多少倍，就算一比一的时间，或者不计时间，九章机器也完不成目前超级计算机甚至一般计算机所能完成的最简单的计算任务。
不是九章机器没有能力，只是这种比较是没有意义。
Aaronson and Arkhipov (2011)（见附件6）提出“波色采样”的任务。该文提出要寻找一个量子系统，比通用量子计算机更接近实验实际的量子系统，但是该系统很难被经典模拟描述。该文提出了一个关于光子产生和运动的数学模型。该文证明，该模型描述的正是这样一个系统。对于该系统（模型）即使近似和粗略的经典模拟都会瓦解。
这样就能显示量子世界的复杂性。但是，该文给出的只是一个理论，不需要量子光学知识。
该SCIENCE文章的实验，在前人实验的基础上，更好的实现了Aaronson, and Arkhipov (2011)提出的“玻色取样”量子模拟系统。虽然不是量子计算机，但是根据Aaronson, and Arkhipov (2011)的证明，实现了“玻色取样”，就表明量子系统的复杂性不是经典系统能够模拟的。
潘建伟团队的设备虽然不是通用量子计算机，但是能够显示量子系统的复杂性，这使得学术界是在认识上前进一步。
结论
Zhong et al., Science 10.1126/science. abe8770 (2020)报告了一个最先进的实验，人们梦寐以求的实验，和技术挑战非常巨大的实验。
但是该文的表述，混淆了“实验”和“计算”的概念，该文提出的看法：“其用光子做的实验就是量子计算，比起当代超级计算机有优越性”，引起争议。本文认为其光学实验与量子计算无关，其实验设备不是量子计算机，不能与电子计算机比较，不能显示量子计算的优越性（霸权）。