量子计算机和光计算,杂谈｜是量子计算，还是光学实验？

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。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。

“SCIENCE”文章报道的“高斯玻色取样”(Gaussian boson sampling)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)是真实物理过程的统计。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 ，Figure 1(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。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。