當前學(xué)界對待量子計算機的態(tài)度分析*

王夢雯，趙 丹

（山西大學(xué)科學(xué)技術(shù)哲學(xué)研究中心，山西 太原 030006）

近年來，量子計算機被宣稱將徹底改變整個IT行業(yè)，并對經(jīng)濟、工業(yè)、社會等產(chǎn)生重大的影響，各國政府和科技巨頭公司紛紛投入巨資。 “量子霸權(quán)”（Quantum Supremacy）又稱為“量子優(yōu)勢”，它是由約翰·普雷斯基爾（John Preskill）提出的，指的是量子計算機能夠完成經(jīng)典計算機無法完成的復(fù)雜計算任務(wù)。然而， “量子霸權(quán)”真的實現(xiàn)了嗎？量子計算機真的能代替經(jīng)典計算機嗎？量子計算機指日可待了嗎？謹慎的學(xué)者們給出了更加理性的分析與判斷，他們甚至給炒得火熱的量子計算機潑上一盆冷水。面對量子計算機這一不確定的技術(shù)，借助炒作周期曲線圖的分析有助于判斷其目前的成熟度，而過度的炒作會適得其反，帶來一系列反面的社會效應(yīng)，甚至可能引起“量子寒冬”。

1 量子計算機的研究背景

量子計算機是將量子本身的疊加和糾纏屬性應(yīng)用于計算機領(lǐng)域的產(chǎn)物。同樣擁有n b，經(jīng)典計算機需要2n次運算才能完成的任務(wù)，由于這n b的疊加特性，量子計算機只需1次運算就可以完成。量子計算機如此強大的計算能力讓人們無不對其寄予厚望。

自1981年理查德·費曼（Richard Feynman）提出量子計算機的最初設(shè)想以來，針對大因數(shù)分解的舒爾算法（Shor，1994）、搜索問題的格洛瓦算法（Grover，1997）等量子算法的提出，和利用離子阱、光量子系統(tǒng)等實現(xiàn)量子邏輯門操作的實現(xiàn)，讓人們看到了量子計算機的曙光，暢想著量子計算機的實現(xiàn)將帶來全新的技術(shù)變革，解決機器學(xué)習(xí)、人工智能、醫(yī)學(xué)、保密通信等諸多復(fù)雜的問題。為此，各國政府、科技巨頭公司紛紛投入巨資，參與到量子計算機的研發(fā)中，以期占據(jù)未來量子技術(shù)的先機，獲得無可限量的回報。

然而，量子計算機何時能夠?qū)崿F(xiàn)？目前是否實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”？量子計算機真的無所不能嗎？學(xué)界和業(yè)界均呈現(xiàn)出兩種不同的態(tài)度，一種是積極的樂觀派，另一種是理性的謹慎派，雙方圍繞量子計算機是革命還是炒作展開了激烈的爭論。

2 量子計算機中的科學(xué)爭論

“量子霸權(quán)”的實現(xiàn)意味著能夠全面開發(fā)和試驗量子處理技術(shù)的能力，探索量子計算的無限空間。2019年10月，谷歌和美國宇航局合作成功研發(fā)出53個量子比特的超導(dǎo)量子計算原型機“懸鈴木”（Sycamore），通過對隨機量子線路的運行，宣布實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”?！皯意從尽毙Q可以在200 s內(nèi)對1個量子線路取樣1 000 000次，同樣的工作在當時IBM旗下世界最為先進的超級計算機“頂峰”（Summit）上需要10 000 a才能完成。隨即，作為谷歌在量子計算領(lǐng)域最大的競爭對手，IBM對谷歌所宣稱的“量子霸權(quán)”提出了質(zhì)疑。IBM指出，在理想條件下，在“頂峰”上進行量子線路的模擬只需要2.5 d的時間，而非10 000 a，這與“量子霸權(quán)”的含義相去甚遠[1]。

2020年12月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團隊宣布成功研發(fā)76個光子構(gòu)造的量子計算原型機“九章”，通過對玻色采樣任務(wù)的完成，實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”（Quantum Computational Advantage，為了避免不必要的政治風(fēng)險與炒作，潘建偉院士在《科學(xué)》期刊上所發(fā)表的文章中以“量子計算優(yōu)越性”取代了“量子霸權(quán)”）?！熬耪隆卑l(fā)布后，玻色采樣的提出者、同時也是潘建偉院士團隊在《科學(xué)》期刊所發(fā)文章的審稿人斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）在自己的博客上指出， “九章”關(guān)于“量子霸權(quán)”的主張不能成立。因為在潘建偉院士團隊的文章中，隱含了有70%的光子在通過分束器時發(fā)生了丟失而僅有30%的光子被檢測到這一條件，這種損失率對“量子霸權(quán)”來說是致命的，足以使這一主張變得可疑。只有當量子容錯到來以后，才會真正有令人信服的“量子霸權(quán)”[2]。之后，北京大學(xué)空間物理與應(yīng)用技術(shù)研究所的涂傳詒院士也針鋒相對地指出“九章”只是玻色采樣實驗所用的儀器，沒有完成任何計算任務(wù)，并非真正的量子計算機[3]。

除了上述關(guān)于“量子霸權(quán)”是否實現(xiàn)的質(zhì)疑，面對火熱的量子計算機的宣傳和蜂擁而至的巨額投資，就有多位學(xué)者在爭論量子計算機是革命還是炒作，持有謹慎態(tài)度的學(xué)者甚至站出來潑冷水。爭論主要集中于下述3個方面：模擬實驗設(shè)備是不是量子計算機？量子計算能否完全取代經(jīng)典計算？量子計算機何時能實現(xiàn)？

2.1 模擬實驗設(shè)備是不是量子計算機？

涂傳詒院士認為“九章”僅僅是玻色采樣實驗設(shè)備，而不是量子計算機，它所完成的也只是模擬實驗。因為在玻色采樣實驗之前并不存在提前給定的函數(shù)映射關(guān)系，實驗所求解的幺正矩陣不是事前給定的，它的參數(shù)是在“九章”制成以后測定的?！熬耪隆辈皇菫榱酸槍o定的輸入值求解輸出值而設(shè)計的，沒有完成任何計算任務(wù)；而且“九章”不能通過編程來完成其他任務(wù)，只能被用于玻色采樣，不會做其他任何事，就連1+2=3都無法計算，根本不是一臺光量子計算機[3]。

面對涂傳詒院士的質(zhì)疑，潘建偉院士詳細解釋了“九章”在何種意義上是量子計算。玻色采樣實驗被公認為是演示量子計算優(yōu)越性的理想算法，“九章”通過輸入非經(jīng)典的全同單光子或者壓縮態(tài)，輸出一個復(fù)雜分布來模擬真實的物理過程，這是典型的量子計算。量子計算把計算、模擬和真實的物理過程融合在一起，與經(jīng)典計算的本質(zhì)不同。而且根據(jù)嚴格的計算復(fù)雜度證明、實驗數(shù)據(jù)論證、國際評審以及廣泛的同行評價， “九章”在目前最好的理論框架下，明確無誤地實現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性。“九章”叫什么不重要，能做什么才重要，并不一定要與經(jīng)典計算機相似才可以被稱為是量子計算機，就像宇宙飛船并不一定要與船相似才可以被稱為是宇宙飛船[4]。

模擬實驗設(shè)備能否稱為量子計算機？模擬實驗演示的量子計算能否表明“量子霸權(quán)”的實現(xiàn)？馬里蘭州立大學(xué)聯(lián)合量子研究所的教授維克多·加利茨基（Victor Galitski）認為，目前成功的是“量子模擬”，這是在實驗層面的，往“量子計算”上靠無非是為了獲得新聞關(guān)注和潛在投資。 “量子霸權(quán)”被看作是量子計算機發(fā)展中的“萊特兄弟”時刻，但事實上學(xué)界的共識是目前所謂的“量子霸權(quán)”本質(zhì)上是一種“無用的計算”，并不能標志著量子計算機即將迎來起飛階段。甚至，為了避免“霸權(quán)”一詞的殖民主義和種族主義含義，13位相關(guān)學(xué)者聯(lián)名要求《自然》等期刊刪除“量子霸權(quán)”的表述，代之以“量子優(yōu)越性”（Quantum Advantage）[5]。

2.2 量子計算能否完全取代經(jīng)典計算？

舒爾在接受《科學(xué)美國人》記者約翰·霍根（John Horgan）的采訪時指出， “關(guān)于量子計算機最大的流行謬論是它們就像經(jīng)典計算機一樣，只是速度更快。事實上，它們是完全不同的[6]。”量子計算在處理特定任務(wù)時確實具有經(jīng)典計算不可比擬的優(yōu)勢，但也僅限于特定任務(wù)，如大因數(shù)分解、搜索問題，再如運行隨機線路等模擬真實世界的場景，而如排序等問題量子計算機根本不具有優(yōu)勢，也不能取代經(jīng)典系統(tǒng)。因此，量子計算并不像支持者們所鼓吹的那樣， “量子計算機將取代經(jīng)典計算”“量子計算將使所有加密算法過時” “量子計算機的運行速度將超過光速”等。成立于2018年的量子計算公司（Quantum Computing Inc.，QCI）認為，人們并不能100%確定量子計算機何時能完成人們所期望它做的事情，很多的時候量子計算仍然是一種炒作[7]。

斯科特·阿倫森認為，經(jīng)典計算機的發(fā)展雖然已經(jīng)不再遵從摩爾定律，但這一技術(shù)的發(fā)展仍處于上升時期；而量子計算機雖然更具有理論優(yōu)勢，但現(xiàn)階段的研發(fā)還處于初始階段，在實際運行過程中量子計算機只能在十分狹窄的領(lǐng)域比經(jīng)典計算機更有優(yōu)勢[8]。

2.3 量子計算機何時能實現(xiàn)？

早在2000年，大衛(wèi)·迪文森佐（David Divincenzo）指出了要構(gòu)建量子計算機的最低要求，也被稱為迪文森佐判據(jù)（Divincenzo Criteria）[9]。這套判據(jù)可以幫助人們判斷不同技術(shù)在何種程度上實現(xiàn)了量子計算機。然而，目前量子計算機的研發(fā)還處于起始階段，尚無一套方案全然符合迪文森佐判據(jù)的要求[10]。主要原因在于量子比特極易受到噪聲干擾而發(fā)生退相干，使得量子比特不再處于疊加狀態(tài)，而量子比特越多，就越難避免退相干的發(fā)生。只有達到了一定的容錯率，才能制成可穩(wěn)定運行的通用量子計算機。

2018年，法國蒙彼利埃大學(xué)的米哈伊爾·迪亞科諾夫（Mikhail Dyakonov）明確指出，通用量子計算機不可能實現(xiàn)。因為通用量子計算機所需要的量子位數(shù)大約是1 000~100 000位，它正常運行所需要處理的連續(xù)參數(shù)數(shù)量至少為10300，這一數(shù)量遠遠超過了宇宙中所有可以觀測到的亞原子數(shù)量總和。此外，還需要考慮10300個連續(xù)參數(shù)的糾錯問題，一般需要采用1 000~100 000個量子比特編碼1個邏輯比特才能完成糾錯任務(wù)[11]，這極大地增加了量子計算機的研制難度[12]。因此，量子計算機只是科研領(lǐng)域中一個不可兌現(xiàn)的泡沫。

作為量子計算機領(lǐng)域的專家，潘建偉院士等學(xué)者也明白量子計算機的實現(xiàn)為時尚早。為了避免引起不必要的爭議，在“九章”相關(guān)的新聞通稿中以“量子計算原型機”來代替“量子計算機”，強調(diào)“九章”還不足以達到通用量子計算機的水平[4]。盡管實現(xiàn)為時尚早，但學(xué)界一致認為，在可預(yù)見的未來，量子計算機可以與經(jīng)典計算機協(xié)同工作。

3 對爭論之后的未來的展望

全球著名的商業(yè)咨詢公司——高德納公司的分析師杰姬·芬恩（Jackie Fenn）和馬克·拉斯金諾（Mark Raskino）繪制了一條技術(shù)成熟度曲線，該曲線也稱為“炒作周期”（Hype Cycle）曲線[13]。該曲線分為5個階段：技術(shù)萌芽期、期望膨脹期、泡沫破裂谷底期、穩(wěn)步爬升上升期、實質(zhì)生產(chǎn)高峰期。在其2018年8月給出的曲線上，量子計算處于快速發(fā)展期的初期，人們對量子計算抱有非常高的期望和關(guān)注，這一階段會有大量的炒作。高德納公司的分析認為，這種過于尋常的炒作會對認知和投資產(chǎn)生負面影響，會帶來“量子寒冬”，進而會影響到對量子計算的持續(xù)、集中投資。圖1為高德納公司在2018年8月給出的炒作周期曲線圖。

圖1 高德納公司給出的炒作周期曲線圖

所謂炒作，往往包含著對信息的片面描述，以片面的展望或無法確證的觀點來代替事實[14]，以此帶來廣泛的關(guān)注，同時也會帶來一些不切實際的期望或幻想。諸如“量子計算將改變我們所知道的生活”“量子計算將解決全球變暖”“量子將徹底改變?nèi)斯ぶ悄?、機器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)”等都屬于正面炒作；而“既帶來了前所未有的機遇，也帶來了嚴重的威脅[15]”“量子計算對計算機安全構(gòu)成了致命威脅[16]”等則都屬于負面炒作。

炒作本身是無可厚非的，一些研發(fā)周期較短的技術(shù)可以利用正面炒作快速吸引投資，促進該技術(shù)的發(fā)展走上正軌；或是利用負面炒作來規(guī)避技術(shù)帶來的風(fēng)險。但無論是正面炒作還是負面炒作都不適用于量子計算機技術(shù)這一類研發(fā)難度大、周期長、前景不確定的技術(shù)，過度炒作會給它帶來一些社會學(xué)層面的危害，甚至引發(fā)一系列的連鎖反應(yīng)。首先，量子計算機的炒作會導(dǎo)致基礎(chǔ)科學(xué)研究人才的流失，勢必會有大量的量子物理學(xué)家轉(zhuǎn)移到“沒有實質(zhì)內(nèi)容的量子計算”開發(fā)與應(yīng)用中去。其次，炒作會讓公眾關(guān)注到被放大的片面信息，如量子計算革命性的方面，而忽略量子計算的本質(zhì)與具體內(nèi)容，不利于公眾理解科學(xué)的推進。進一步，過多的炒作與期望往往會帶來極度的懷疑與失望，斯科特·阿倫森指出： “隨著量子計算吸引更多的關(guān)注和資金，研究人員可能會誤導(dǎo)投資者、政府機構(gòu)、記者、公眾，最糟糕的是如果研究人員不能信守諾言，興奮可能會讓位于懷疑、失望和憤怒?！比藗儗α孔蛹夹g(shù)的狂熱追捧所造成的繁榮，實際上是一種“不合乎理性的繁榮”。他講到，“現(xiàn)階段，‘量子霸權(quán)’為學(xué)術(shù)不端創(chuàng)造了巨大的空間”[8]。盡管斯科特·阿倫森十分支持量子計算機的研發(fā)，但他認為仍需要提防炒作。維克多·加利茨基認為，目前所謂的量子技術(shù)公司提供的服務(wù)實質(zhì)是欺詐，他們推廣的是假的科學(xué)，遲早會崩盤，愚弄投資者和公眾。最后，量子計算的炒作甚至?xí)p害整個科學(xué)的聲譽，就像流行病學(xué)和氣候科學(xué)那樣，給科學(xué)帶來不必要的政治化，影響到科學(xué)研究和結(jié)論的公開和公正的發(fā)表和討論[17]。

與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，量子計算機的炒作在神秘的“量子”和火熱的“二次量子革命”的渲染下越炒越熱。然而，相較于媒體和公眾，量子物理學(xué)家們還是相對理性的，他們最為清楚量子計算的發(fā)展狀況，清楚量子計算并不能代替經(jīng)典計算，清楚量子計算威脅的只是當前的李維斯特-薩莫爾-阿德曼（Rivest-Shamir-Adleman，RSA）加密和橢圓曲線密碼學(xué)（Elliptic Curve Cryptography，ECC）加密，清楚量子計算機的實現(xiàn)還有非常遠的距離。因而，才會有斯科特·阿倫森、維克多·加利茨基等學(xué)者的理性澄清與憂心忠告，他們擔(dān)心量子計算機從炒作的巔峰掉下來而受到傷害。畢竟，在人工智能的發(fā)展史上，曾經(jīng)出現(xiàn)過兩次因為炒作而帶來的“人工智能的寒冬”（AIwinter）[18]，他們不希望“量子寒冬”的到來。因而面對量子計算機，應(yīng)該更加理性對待，謹慎避免炒作。