当前学界对待量子计算机的态度分析*

王梦雯，赵 丹

（山西大学科学技术哲学研究中心，山西 太原 030006）

近年来，量子计算机被宣称将彻底改变整个IT行业，并对经济、工业、社会等产生重大的影响，各国政府和科技巨头公司纷纷投入巨资。 “量子霸权”（Quantum Supremacy）又称为“量子优势”，它是由约翰·普雷斯基尔（John Preskill）提出的，指的是量子计算机能够完成经典计算机无法完成的复杂计算任务。然而， “量子霸权”真的实现了吗？量子计算机真的能代替经典计算机吗？量子计算机指日可待了吗？谨慎的学者们给出了更加理性的分析与判断，他们甚至给炒得火热的量子计算机泼上一盆冷水。面对量子计算机这一不确定的技术，借助炒作周期曲线图的分析有助于判断其目前的成熟度，而过度的炒作会适得其反，带来一系列反面的社会效应，甚至可能引起“量子寒冬”。

1 量子计算机的研究背景

量子计算机是将量子本身的叠加和纠缠属性应用于计算机领域的产物。同样拥有n b，经典计算机需要2n次运算才能完成的任务，由于这n b的叠加特性，量子计算机只需1次运算就可以完成。量子计算机如此强大的计算能力让人们无不对其寄予厚望。

自1981年理查德·费曼（Richard Feynman）提出量子计算机的最初设想以来，针对大因数分解的舒尔算法（Shor，1994）、搜索问题的格洛瓦算法（Grover，1997）等量子算法的提出，和利用离子阱、光量子系统等实现量子逻辑门操作的实现，让人们看到了量子计算机的曙光，畅想着量子计算机的实现将带来全新的技术变革，解决机器学习、人工智能、医学、保密通信等诸多复杂的问题。为此，各国政府、科技巨头公司纷纷投入巨资，参与到量子计算机的研发中，以期占据未来量子技术的先机，获得无可限量的回报。

然而，量子计算机何时能够实现？目前是否实现了“量子霸权”？量子计算机真的无所不能吗？学界和业界均呈现出两种不同的态度，一种是积极的乐观派，另一种是理性的谨慎派，双方围绕量子计算机是革命还是炒作展开了激烈的争论。

2 量子计算机中的科学争论

“量子霸权”的实现意味着能够全面开发和试验量子处理技术的能力，探索量子计算的无限空间。2019年10月，谷歌和美国宇航局合作成功研发出53个量子比特的超导量子计算原型机“悬铃木”（Sycamore），通过对随机量子线路的运行，宣布实现了“量子霸权”。“悬铃木”宣称可以在200 s内对1个量子线路取样1 000 000次，同样的工作在当时IBM旗下世界最为先进的超级计算机“顶峰”（Summit）上需要10 000 a才能完成。随即，作为谷歌在量子计算领域最大的竞争对手，IBM对谷歌所宣称的“量子霸权”提出了质疑。IBM指出，在理想条件下，在“顶峰”上进行量子线路的模拟只需要2.5 d的时间，而非10 000 a，这与“量子霸权”的含义相去甚远[1]。

2020年12月，中国科学技术大学潘建伟院士团队宣布成功研发76个光子构造的量子计算原型机“九章”，通过对玻色采样任务的完成，实现了“量子计算优越性”（Quantum Computational Advantage，为了避免不必要的政治风险与炒作，潘建伟院士在《科学》期刊上所发表的文章中以“量子计算优越性”取代了“量子霸权”）。“九章”发布后，玻色采样的提出者、同时也是潘建伟院士团队在《科学》期刊所发文章的审稿人斯科特·阿伦森（Scott Aaronson）在自己的博客上指出， “九章”关于“量子霸权”的主张不能成立。因为在潘建伟院士团队的文章中，隐含了有70%的光子在通过分束器时发生了丢失而仅有30%的光子被检测到这一条件，这种损失率对“量子霸权”来说是致命的，足以使这一主张变得可疑。只有当量子容错到来以后，才会真正有令人信服的“量子霸权”[2]。之后，北京大学空间物理与应用技术研究所的涂传诒院士也针锋相对地指出“九章”只是玻色采样实验所用的仪器，没有完成任何计算任务，并非真正的量子计算机[3]。

除了上述关于“量子霸权”是否实现的质疑，面对火热的量子计算机的宣传和蜂拥而至的巨额投资，就有多位学者在争论量子计算机是革命还是炒作，持有谨慎态度的学者甚至站出来泼冷水。争论主要集中于下述3个方面：模拟实验设备是不是量子计算机？量子计算能否完全取代经典计算？量子计算机何时能实现？

2.1 模拟实验设备是不是量子计算机？

涂传诒院士认为“九章”仅仅是玻色采样实验设备，而不是量子计算机，它所完成的也只是模拟实验。因为在玻色采样实验之前并不存在提前给定的函数映射关系，实验所求解的幺正矩阵不是事前给定的，它的参数是在“九章”制成以后测定的。“九章”不是为了针对给定的输入值求解输出值而设计的，没有完成任何计算任务；而且“九章”不能通过编程来完成其他任务，只能被用于玻色采样，不会做其他任何事，就连1+2=3都无法计算，根本不是一台光量子计算机[3]。

面对涂传诒院士的质疑，潘建伟院士详细解释了“九章”在何种意义上是量子计算。玻色采样实验被公认为是演示量子计算优越性的理想算法，“九章”通过输入非经典的全同单光子或者压缩态，输出一个复杂分布来模拟真实的物理过程，这是典型的量子计算。量子计算把计算、模拟和真实的物理过程融合在一起，与经典计算的本质不同。而且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。“九章”叫什么不重要，能做什么才重要，并不一定要与经典计算机相似才可以被称为是量子计算机，就像宇宙飞船并不一定要与船相似才可以被称为是宇宙飞船[4]。

模拟实验设备能否称为量子计算机？模拟实验演示的量子计算能否表明“量子霸权”的实现？马里兰州立大学联合量子研究所的教授维克多·加利茨基（Victor Galitski）认为，目前成功的是“量子模拟”，这是在实验层面的，往“量子计算”上靠无非是为了获得新闻关注和潜在投资。 “量子霸权”被看作是量子计算机发展中的“莱特兄弟”时刻，但事实上学界的共识是目前所谓的“量子霸权”本质上是一种“无用的计算”，并不能标志着量子计算机即将迎来起飞阶段。甚至，为了避免“霸权”一词的殖民主义和种族主义含义，13位相关学者联名要求《自然》等期刊删除“量子霸权”的表述，代之以“量子优越性”（Quantum Advantage）[5]。

2.2 量子计算能否完全取代经典计算？

舒尔在接受《科学美国人》记者约翰·霍根（John Horgan）的采访时指出， “关于量子计算机最大的流行谬论是它们就像经典计算机一样，只是速度更快。事实上，它们是完全不同的[6]。”量子计算在处理特定任务时确实具有经典计算不可比拟的优势，但也仅限于特定任务，如大因数分解、搜索问题，再如运行随机线路等模拟真实世界的场景，而如排序等问题量子计算机根本不具有优势，也不能取代经典系统。因此，量子计算并不像支持者们所鼓吹的那样， “量子计算机将取代经典计算”“量子计算将使所有加密算法过时” “量子计算机的运行速度将超过光速”等。成立于2018年的量子计算公司（Quantum Computing Inc.，QCI）认为，人们并不能100%确定量子计算机何时能完成人们所期望它做的事情，很多的时候量子计算仍然是一种炒作[7]。

斯科特·阿伦森认为，经典计算机的发展虽然已经不再遵从摩尔定律，但这一技术的发展仍处于上升时期；而量子计算机虽然更具有理论优势，但现阶段的研发还处于初始阶段，在实际运行过程中量子计算机只能在十分狭窄的领域比经典计算机更有优势[8]。

2.3 量子计算机何时能实现？

早在2000年，大卫·迪文森佐（David Divincenzo）指出了要构建量子计算机的最低要求，也被称为迪文森佐判据（Divincenzo Criteria）[9]。这套判据可以帮助人们判断不同技术在何种程度上实现了量子计算机。然而，目前量子计算机的研发还处于起始阶段，尚无一套方案全然符合迪文森佐判据的要求[10]。主要原因在于量子比特极易受到噪声干扰而发生退相干，使得量子比特不再处于叠加状态，而量子比特越多，就越难避免退相干的发生。只有达到了一定的容错率，才能制成可稳定运行的通用量子计算机。

2018年，法国蒙彼利埃大学的米哈伊尔·迪亚科诺夫（Mikhail Dyakonov）明确指出，通用量子计算机不可能实现。因为通用量子计算机所需要的量子位数大约是1 000~100 000位，它正常运行所需要处理的连续参数数量至少为10300，这一数量远远超过了宇宙中所有可以观测到的亚原子数量总和。此外，还需要考虑10300个连续参数的纠错问题，一般需要采用1 000~100 000个量子比特编码1个逻辑比特才能完成纠错任务[11]，这极大地增加了量子计算机的研制难度[12]。因此，量子计算机只是科研领域中一个不可兑现的泡沫。

作为量子计算机领域的专家，潘建伟院士等学者也明白量子计算机的实现为时尚早。为了避免引起不必要的争议，在“九章”相关的新闻通稿中以“量子计算原型机”来代替“量子计算机”，强调“九章”还不足以达到通用量子计算机的水平[4]。尽管实现为时尚早，但学界一致认为，在可预见的未来，量子计算机可以与经典计算机协同工作。

3 对争论之后的未来的展望

全球著名的商业咨询公司——高德纳公司的分析师杰姬·芬恩（Jackie Fenn）和马克·拉斯金诺（Mark Raskino）绘制了一条技术成熟度曲线，该曲线也称为“炒作周期”（Hype Cycle）曲线[13]。该曲线分为5个阶段：技术萌芽期、期望膨胀期、泡沫破裂谷底期、稳步爬升上升期、实质生产高峰期。在其2018年8月给出的曲线上，量子计算处于快速发展期的初期，人们对量子计算抱有非常高的期望和关注，这一阶段会有大量的炒作。高德纳公司的分析认为，这种过于寻常的炒作会对认知和投资产生负面影响，会带来“量子寒冬”，进而会影响到对量子计算的持续、集中投资。图1为高德纳公司在2018年8月给出的炒作周期曲线图。

图1 高德纳公司给出的炒作周期曲线图

所谓炒作，往往包含着对信息的片面描述，以片面的展望或无法确证的观点来代替事实[14]，以此带来广泛的关注，同时也会带来一些不切实际的期望或幻想。诸如“量子计算将改变我们所知道的生活”“量子计算将解决全球变暖”“量子将彻底改变人工智能、机器学习和大数据”等都属于正面炒作；而“既带来了前所未有的机遇，也带来了严重的威胁[15]”“量子计算对计算机安全构成了致命威胁[16]”等则都属于负面炒作。

炒作本身是无可厚非的，一些研发周期较短的技术可以利用正面炒作快速吸引投资，促进该技术的发展走上正轨；或是利用负面炒作来规避技术带来的风险。但无论是正面炒作还是负面炒作都不适用于量子计算机技术这一类研发难度大、周期长、前景不确定的技术，过度炒作会给它带来一些社会学层面的危害，甚至引发一系列的连锁反应。首先，量子计算机的炒作会导致基础科学研究人才的流失，势必会有大量的量子物理学家转移到“没有实质内容的量子计算”开发与应用中去。其次，炒作会让公众关注到被放大的片面信息，如量子计算革命性的方面，而忽略量子计算的本质与具体内容，不利于公众理解科学的推进。进一步，过多的炒作与期望往往会带来极度的怀疑与失望，斯科特·阿伦森指出： “随着量子计算吸引更多的关注和资金，研究人员可能会误导投资者、政府机构、记者、公众，最糟糕的是如果研究人员不能信守诺言，兴奋可能会让位于怀疑、失望和愤怒。”人们对量子技术的狂热追捧所造成的繁荣，实际上是一种“不合乎理性的繁荣”。他讲到，“现阶段，‘量子霸权’为学术不端创造了巨大的空间”[8]。尽管斯科特·阿伦森十分支持量子计算机的研发，但他认为仍需要提防炒作。维克多·加利茨基认为，目前所谓的量子技术公司提供的服务实质是欺诈，他们推广的是假的科学，迟早会崩盘，愚弄投资者和公众。最后，量子计算的炒作甚至会损害整个科学的声誉，就像流行病学和气候科学那样，给科学带来不必要的政治化，影响到科学研究和结论的公开和公正的发表和讨论[17]。

与传统的技术相比，量子计算机的炒作在神秘的“量子”和火热的“二次量子革命”的渲染下越炒越热。然而，相较于媒体和公众，量子物理学家们还是相对理性的，他们最为清楚量子计算的发展状况，清楚量子计算并不能代替经典计算，清楚量子计算威胁的只是当前的李维斯特-萨莫尔-阿德曼（Rivest-Shamir-Adleman，RSA）加密和椭圆曲线密码学（Elliptic Curve Cryptography，ECC）加密，清楚量子计算机的实现还有非常远的距离。因而，才会有斯科特·阿伦森、维克多·加利茨基等学者的理性澄清与忧心忠告，他们担心量子计算机从炒作的巅峰掉下来而受到伤害。毕竟，在人工智能的发展史上，曾经出现过两次因为炒作而带来的“人工智能的寒冬”（AIwinter）[18]，他们不希望“量子寒冬”的到来。因而面对量子计算机，应该更加理性对待，谨慎避免炒作。