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袁嵐峰：九章不是計算機，是浮夸宣傳？這是嚴重的誤解
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袁嵐峰中國科學技術大學副研究員，風云學會會長
最后更新: 2021-01-28 13:44:06量子計算的起源之一，是1981年偉大的物理學家理查德·費曼（Richard Phillips Feynman，1918 - 1988）的一個演講《用計算機模擬物理》（Simulating Physics withComputers）。
理查德·費曼
他在里面指出，現在的計算機用來模擬經典力學很合適，但模擬量子力學就會遇到計算量爆炸。因為量子力學里同一個原因會產生不同的結果，我們的描述只能用概率的語言。請注意，這是一個質的區別。我們平常見到的隨機都是偽隨機，而量子力學里的隨機是真隨機！
在量子力學中我們只能預測概率
現在來看看，概率為什么會導致計算量爆炸。對于一維空間中的一個粒子，它只有一個坐標x，我們可以用一個函數f(x)來表示在x這個位置找到這個粒子的概率。假如把空間分成N個格點，我們就需要知道f(x)在這N個位置的N個取值。
這看起來很簡單。但真正的麻煩在于，當我們有R個坐標時，概率函數就成了一個多元函數f(x1,x2, x3, …, xR)。每一個坐標有N個取值，所以總共有NR組坐標，我們需要知道這個多元函數的這么多個取值才行。數據量對R是指數增長的，這是災難性的增長。
直接描述量子多粒子體系會導致計算量爆炸
例如，中國信息通信研究院發布的《大數據白皮書（2020年）》說，2020年全世界產生的數據量是47 ZB。1 ZB是1021字節，47 ZB就是4.7 × 1022字節或者3.76 × 1023比特。1 ZB約等于十億TB，大家平時用的硬盤容量在1 TB左右，所以全世界一年大約填滿了470億個硬盤。
為迎接更大的數據洪流做好準備
請問，什么樣的量子體系所需的數據量會超過47 ZB？答案非常驚人。
只要我們在三維空間中取8個粒子，每個粒子有3個坐標，總共24個坐標，即R = 24。每個坐標取10個值，即N = 10。這么小的體系，它的概率函數的數據量就是1024，超過了47 ZB這個全球一年的數據量。存都存不下，更不用說計算了。
現在，大家明白量子力學的計算為什么這么困難了吧？
面對這種計算量爆炸，費曼提出了一個辦法，就是用量子體系去模擬量子體系。
我們不是直接用解析的方法去計算多元概率函數，而是構造一個量子體系，它演化的方式跟要模擬的體系在數學上等價。然后我們去測量這個量子體系的演化結果，也就是取樣。做若干次取樣后，我們就直接知道了這個多元概率函數。當然是在一定的誤差范圍內，這個誤差會隨著取樣的增加而減少。
在計算機上做相應的實驗，獲得相應的概率
這種思路可以表述為：只有魔法才能打敗魔法，只有量子才能打敗量子。
所以你看，九章做的不正是費曼建議的嗎？這正是量子計算機的本意。
通過以上的解釋，你也會明白，為什么現在的量子計算機做的往往都叫做某某取樣：九章做的叫做玻色子取樣，2019年谷歌實現量子優越性的計算機“懸鈴木”（Sycamore）做的叫做“隨機線路取樣”（random circuit sampling）。因為取樣正是適合量子計算機干的事情。那些認為九章不是計算機、是浮夸宣傳的人，其實踩的不只是九章，而且還包括懸鈴木，包括現在所有的量子計算機。
谷歌論文圖1對“懸鈴木”量子計算機結構的演示
量子計算這個領域以前突出的困難在于，沒有任何一臺量子計算機在任何一個問題上超越經典計算機。大家都好像玩具模型一樣，能算，但是算得很慢。所以有凱萊這種唱衰派，認為量子計算機永遠不可能成功。九章和懸鈴木的成就，就是突破了這個限制，顯示出了量子計算機真正有用的前景。
- 原標題：袁嵐峰：九章不是計算機，是浮夸宣傳？這是嚴重的誤解 本文僅代表作者個人觀點。
- 責任編輯: 李泠
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