2020年12月，中国科学技术大学（以下简称“中国科大”）潘建伟团队在《科学》（Science）期刊发表题为“利用光子实现量子计算优越性”（Quantumcomputationaladvantageusingphotons）的研究论文。该工作受到了几乎所有知名国际科技媒体的报道，在推特上阅读量超过600万，也在国内引发了热议。
“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。[3]
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。
“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。
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“Quantumcomputers”（量子计算机）的综述论文[Nature464,45(2010)]，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。”（“aquantumcomputer:amachinethatwouldexploitthefullcomplexityofamany-particlequantumwavefunctiontosolveacomputationalproblem.”）
维基百科（quantumcomputing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。”（“Quantumcomputingistheuseofquantumphenomenasuchassuperpositionandentanglementtoperformcomputation.”）
●Hansen,etal.Implementationofaquantumsearchalgorithmonaquantumcomputer.Nature393,344(1998).
●Wineland,etal.ExperimentalPrimerontheTrappedIonQuantumComputer.FortschrittederPhysik,46,363(1998).
●Blatt,etal.ImplementationoftheDeutsch–Jozsaalgorithmonanion-trapquantumcomputer.Nature421,48(2003).
●Zeilinger,etal.ExperimentalrealizationofDeutsch'salgorithminaone-wayquantumcomputer.PRL98140501(2007).
●Blatt,etal.Deterministicentanglementswappingwithanion-trapquantumcomputer.NaturePhysics4,839(2008).
●Zoller,&Blatt,etal.Real-timedynamicsoflatticegaugetheorieswithafew-qubitquantumcomputer.Nature534,516(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“Thephotonicquantumcomputer,Jiuzhang,generatesupto76outputphoton…”（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”的最重要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。
●麻省理工学院教授DirkEnglund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。”（“Thisisamomentousresult.It’samilestoneindevelopmenttheseintermediatescalequantumcomputers.”）
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。
（NatureNews–PhysicistsinChinachallengeGoogle's'quantumadvantage':Photon-basedquantumcomputerdoesacalculationthatordinarycomputersmightneverbeabletodo.）
●《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。
（ScientificAmerican–Light-BasedQuantumComputerExceedsFastestClassicalSupercomputers.）
●《新科学家》–测量光的量子计算机实现量子霸权。
（NewScientist–Aquantumcomputerthatmeasureslighthasachievedquantumsupremacy.）
●《科学新闻》–“九章”新型光学量子计算机实现量子霸权。
（ScienceNews–Thenewlight-basedquantumcomputerJiuzhanghasachievedquantumsupremacy.）
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”（Buildingafault-tolerantquantumcomputertorunShor’salgorithm,however,stillrequireslong-termefforts）。
其次，尽管先前谷歌和媒体用了“量子霸权”（quantumsupremacy）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”（quantumcomputationaladvantage）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。
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。
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。
a)对量子计算和玻色取样的理解存在偏差
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。
b)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（PRL94,030501），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（PRL99,250504），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。
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题，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限。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。
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。
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。
[1]Quantumcomputationaladvantageusingphotons；中国科学家实现“量子计算优越性”里程碑
附件下载链接：
提取码：vmpx
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Firstreleasereport，H.-S.Zhongetal.,Science10.1126/science.abe8770(2020)（见附件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BarrySanders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。”（见附件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。
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）。见下图
图-1，高尔顿板问题。左图，原理；右图，真实实验的照片。
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。
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。
是物理实验还是量子计算？
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。这种计算，需要给出中间过程某一时刻的所有有关数据，才能计算下一时刻的状态。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，然后才能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。
人们不明白，“Thephotonicquantumcomputer”（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。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”与“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？
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。
结论
Zhongetal.,Science10.1126/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”与“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）。
附文二：对“九章-光量子计算机”的理解
（涂传诒，于2021-3-11发表在公众号“pku空间所”）
计算机、计算和模拟等概念的界定
什么是计算机
2.狭隘的定义。能够求解有解析表达式和没有解析表达式的各类复杂的函数问题的机器叫计算机，而只能求解单一计算问题的机器叫计算器，或者叫专用计算机。这一定义，把模拟器排除在计算机的定义之外，突出了计算机通用的特点。在名称上，有计算机功能专用定语的计算机是专用计算机，而没有专用定语的计算机是通用计算机。这一定义也与Preskill（2012）的定义是一致的【2】。该文定义，“量子计算机的功能是数值量子仿真器（“digital”quantumsimulator），而相似量子仿真器（“analog”quantumsimulators）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，而相似量子模拟装置有内在的限制”。该定义表明，量子计算机应该是通用数值计算机。
3.作为商品名称的定义。计算工具的使用，不是限制在计算专家的学术范围，各行各业都使用不同类型的计算工具。公众使用的计算工具是通过商业渠道购买到的，这使得公众对计算工具的名称的认知受到商品名的影响。商家希望通过商品的名称表达商品的功能和复杂程度。商家不把算盘和计算尺称为计算机。他们称作为电子计算机的都是通用的能编程的。我们用的笔记本电脑的商品名称是便携计算机（computer）。而我们用来计算加减的计算工具的商品名称是计算器（calculator）。公众在实际生活中接受了对计算工具称呼的这种理解。
计算机与物理实验的关系
计算机计算与物理实验之间有下面5层关系：
（1）物理的系统。一个物理系统的行为就是它如何基于物理的输入产生物理的输出（或者叫“响应”），中间过程应该是不能调控的。
（2）物理系统的数学刻画。这需要对输入和输出的形态都做数学描述（比如表达成数字、向量、字符等）同时对它的中间过程行为做数学描述（比如用微分方程，概率函数等）。
（3）计算问题,完成数学刻画之后，我们便得到了一个关于函数f的计算问题，即对任何（数学意义上的）输入，通过计算中间过程，求函数f（在数学意义上）的输出。
（5）计算模型的物理实现就是计算机。给定一个计算模型，我们希望此模型可以被物理器件实现。
第（2）和（3）是数学层面的，而（4）和（5）是计算机层面的。由于多方面的原因，这5个层面的描述的精度，由（1）至（5）是逐步下降的。“玻色采样”，是（1）描述的物理系统，不是（2）和（3）描述的计算问题，更不是（4）和（5）描述的计算机计算。
什么是计算？
在传统意义上，一个计算问题是用一个函数f来描述的，就是对此函数的任意输入x，求它的输出f(x).只要此函数f给定了，关于它的计算问题就给定了。这里的系统f并不是指物理世界中的系统，而是指一个数学描述。这个数学描述可以是对物理世界中某个（随机或确定）系统的数学刻画，也可以是完全人为的数学构造，不对应于物理世界。
对“计算过程”没有严格的公认的定义。“计算过程”可以描述如下：
计算的起点是计算问题f，终点是对一个输入x得到f(x).这里从起点到终点需要两个步骤：
A）设计程序g
B）给程序g赋予输入x，并收集程序的输出f(x)。
介于起点和终点之间的过程是计算过程。
1.广义计算过程：“计算过程”可以定义为执行（A）和（B）两个步骤。
2.狭义计算过程：仅仅执行步骤（B）。如果用“狭义计算过程”来定义计算过程，那么步骤（A）可以理解为计算的“准备过程”。
依据物理化学实验能否模拟计算？
下面我们给一个模拟计算的事例-地图着色的DNA方法【4】。地图着色问题主要研究如何将地图中的国家区域用给定数目的颜色涂染，使得相邻区域有不同的颜色。对于地图上国家数目比较多的情况，用超大计算机计算，是很费机时的。DNA方法，是把地图着色的不同区域映射成DNA分子链，利用DNA特殊的双螺旋结构和碱基互补配对原则对其进行编码，在DNA溶液的试管里，在生物酶的作用下，生成各种数据库，然后按照约定规则将原始的数学运算高度并行地映射成DNA分子链的可控的生化过程。从数学家看角度看，这生化过程能得到他们的地图着色的数学解，因而试管中的过程是一种计算过程。但是从生化学家角度来看，那是DNA分子链的形成过程，那是生化反应。DNA计算目前仅仅限于个别几个例子。我们给出这一事例，说明人们利用物理和化学实验来帮助求解数学问题的范式。
下面我们将论证玻色采样实验不是量子计算过程，也不是模拟过程，不完成计算任务，量子计算优越性的结论是计算概念混淆的结果。