2025 諾獎得主馬丁尼斯：量子計(jì)算機(jī)的未來，藏在硬件工業(yè)革命里…

設(shè)置星標(biāo)★關(guān)注，從此你的世界多點(diǎn)科學(xué)~

約翰·馬丁尼斯(John M. Martinis)是諾獎學(xué)者，也是實(shí)驗(yàn)狂人、硬件專家。

相比教科書里的理想化世界，他更偏愛物理實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)質(zhì)問題和關(guān)鍵細(xì)節(jié)。而他的實(shí)驗(yàn)突破、理論洞見和工程碩果，組成了量子計(jì)算歷史中最壯闊的幾個篇章。量子計(jì)算領(lǐng)域的兩大至要時刻都由馬丁尼斯主導(dǎo)締造。

故事始于1980年代。彼時馬丁尼斯在加州大學(xué)伯克利分校讀研究生，而學(xué)界早已清楚亞原子粒子會受到量子效應(yīng)影響，疑惑的則是量子力學(xué)世界能否擴(kuò)展至更宏觀的尺度。馬丁尼斯與同事開展了一系列實(shí)驗(yàn)，探索量子效應(yīng)的邊界——這些工作后來也幫助他獲得2025年諾貝爾物理學(xué)獎。

他們構(gòu)建并研究了由超導(dǎo)體和絕緣體混合制成的電路。結(jié)果表明，電路中許多帶電粒子的表現(xiàn)如同一個統(tǒng)一的量子粒子，這便是量子宏觀效應(yīng)(macroscopic quantumness)，為行業(yè)建造最強(qiáng)量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)，眼下IBM和谷歌開發(fā)的量子系統(tǒng)都以宏觀量子效應(yīng)為根基。

可以認(rèn)為，馬丁尼斯的工作推動了科技巨頭采用超導(dǎo)電路制造量子比特的趨勢。超導(dǎo)量子比特如今已成為全球應(yīng)用最廣泛的量子比特。

馬丁尼斯給行業(yè)帶來的第二次震撼是他領(lǐng)銜谷歌研究團(tuán)隊(duì)打造首臺實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的量子計(jì)算機(jī)：2019年問世的超導(dǎo)量子處理器Sycamore，在近五年時間內(nèi)都是全球唯一能驗(yàn)證隨機(jī)量子電路輸出的計(jì)算機(jī)。后來它的紀(jì)錄被經(jīng)典計(jì)算機(jī)超越。

如今年近七旬的馬丁尼斯相信超導(dǎo)量子比特有望再創(chuàng)歷史。2024年，他聯(lián)合創(chuàng)立量子計(jì)算公司QoLab。據(jù)稱，QoLab將以全新方式力求實(shí)現(xiàn)全行業(yè)夢寐以求的目標(biāo)：真正實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。

近期，馬丁尼斯教授接受《新科學(xué)家》（

New scientist

Q：您在職業(yè)生涯早期就因做出一些基礎(chǔ)性研究成果而被廣泛關(guān)注。您何時開始意識到自己的實(shí)驗(yàn)可能催生新技術(shù)？

A：

當(dāng)時存在一種疑問：宏觀變量可否不遵循量子力學(xué)規(guī)律？或許年長些的學(xué)者默認(rèn)量子力學(xué)必然適用，但對于仍是年輕學(xué)生、剛接觸量子力學(xué)的我來說，探尋問題答案的過程將會是一場極為美妙的實(shí)驗(yàn)旅程，是對量子力學(xué)根基的一次基礎(chǔ)驗(yàn)證。

我們首先利用已有技術(shù)搭建起一個簡陋而快捷的實(shí)驗(yàn)裝置。到采集數(shù)據(jù)階段，實(shí)驗(yàn)徹底失敗了。好在試錯過程很快。我們意識到，要想把實(shí)驗(yàn)做成做好，就必須掌握微波工程知識，理解噪聲問題，攻克諸多技術(shù)環(huán)節(jié)。當(dāng)然，解決了一系列問題后，成功來得很快。

以這項(xiàng)成功的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，我們在此后十年間持續(xù)做改進(jìn)和優(yōu)化，并開發(fā)量子設(shè)備。另一方面，量子計(jì)算理論取得長足進(jìn)步，其中肖爾算法(用于分解大數(shù)破解密碼)尤為關(guān)鍵，糾錯算法也很重要。由此，整個領(lǐng)域的地基足夠堅(jiān)實(shí)了，研究者終于能構(gòu)想如何創(chuàng)建實(shí)際裝置了。與此同時，相關(guān)資金開始涌入。

Q：資金支持顯著影響了這一領(lǐng)域的研究工作乃至技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，對嗎？

A：

在1980年代，行業(yè)都還未驗(yàn)證單個量子系統(tǒng)能否被準(zhǔn)確操控與測量。而過去四十年的發(fā)展可謂天翻地覆，如今量子計(jì)算已是一片廣闊天地！最令人感嘆的是，現(xiàn)在有這么多物理學(xué)家致力于理解超導(dǎo)系統(tǒng)的量子力學(xué)原理，嘗試構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)。

Q：您親歷了量子計(jì)算發(fā)展的最初階段。這段經(jīng)歷是否影響了您對領(lǐng)域現(xiàn)狀的認(rèn)識和對未來的展望？

A：

作為全程親歷領(lǐng)域發(fā)展的老人，我清楚量子計(jì)算的物理學(xué)根基。在加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校團(tuán)隊(duì)時，我研制了首批用于量子設(shè)備的微波電子系統(tǒng)；加入谷歌后，我又自主建造制冷裝置，用以為超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)提供極低的運(yùn)行溫度。可以說我參與過每個組件的開發(fā)。

許多未親身參與其中的人可能只會樂觀地將一切進(jìn)展視作技術(shù)必然，而我知曉各種阻礙進(jìn)展的問題所在。

歸根結(jié)底，構(gòu)建量子計(jì)算系統(tǒng)是一套系統(tǒng)工程，在這方面我的優(yōu)勢在于對每個環(huán)節(jié)的物理原理都有深刻理解。

用于保持量子計(jì)算機(jī)低溫狀態(tài)的低溫恒溫器

Q：您認(rèn)為，量子計(jì)算硬件需經(jīng)歷怎樣地變革才能真正被應(yīng)用？哪些技術(shù)變化將成為下一次突破的開端？

A：

離開谷歌后，我從整體系統(tǒng)的視角重新思考量子計(jì)算機(jī)，以及我們需要構(gòu)建和改進(jìn)的所有基礎(chǔ)要素。

QoLab公司正基于新理念、新方法而創(chuàng)立。我們團(tuán)隊(duì)在量子比特的制造工藝上有重大突破，整合各部、搭建系統(tǒng)的方法(尤其是布線方面)亦有革新。

大家意識到，要想實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠且低成本的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)，開發(fā)者必須具有顛覆傳統(tǒng)的思維方式。這很難，也很難以被人理解。我們遭遇了超乎預(yù)想的質(zhì)疑和阻力，不過以我數(shù)十年物理研究的經(jīng)驗(yàn)來看，這恰恰意味著我們的思路值得嘗試。

Q：我們有時會聽到這樣一種說法：要打造真正實(shí)用、無誤差的量子計(jì)算機(jī)，可能需要數(shù)百萬個量子比特。如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)？

A：

制造方法——尤其是量子芯片的制造工藝——是最關(guān)鍵也最困難的部分。

看看那些巨頭，以谷歌、IBM、亞馬遜為首的企業(yè)現(xiàn)階段都還用著可能來自20世紀(jì)五六十年代的制造技術(shù)。我不認(rèn)為當(dāng)前還有任何其他行業(yè)會用如此老派的方法構(gòu)建電路。我們的觀點(diǎn)是：既然你想打造百萬量子比特的系統(tǒng)，那就別走尋常路。

你如果見過超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的造型，就知道那簡直是一片“叢林”——由大量線路和微波元件構(gòu)成的叢林。布線始終是超導(dǎo)量子比特領(lǐng)域的核心難點(diǎn)。我們希望解決布線問題，希望從根本上改變設(shè)備制造方式，也正努力開發(fā)一種能擺脫一切連線的芯片架構(gòu)。我想把所有要素都塞進(jìn)這塊芯片，同時能把芯片規(guī)模往大里擴(kuò)。

Q：您認(rèn)為在5年內(nèi)，會有贏家從這場圍繞實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的競賽中脫穎而出嗎？

A：

行業(yè)正嘗試多種多樣的方式創(chuàng)建量子計(jì)算機(jī)。鑒于系統(tǒng)工程層面的制約極為嚴(yán)苛，我認(rèn)為多元化的探索路徑是好事，也樂于看到不同路線都獲得資金支持，這樣會帶來更大創(chuàng)新可能。

但不得不說，面對復(fù)雜的限制，面對真正的困難，比如成本控制或規(guī)模化生產(chǎn)設(shè)備等方面的問題，現(xiàn)有許多項(xiàng)目的確略顯……姑且稱之為“稚嫩”吧。另一方面，我相信許多研究團(tuán)隊(duì)都有解決難題的思路，只是尚未公開而言。

在我看來，QoLab的商業(yè)計(jì)劃有所不同，甚至可能相當(dāng)獨(dú)特。我們的理念是積極開放協(xié)作、匯聚各方智慧。目前QoLab正與那些懂得如何實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、掌握尖端制造技術(shù)的硬件公司合作。

Q：假如此刻就有人給您一臺規(guī)模巨大且無誤差的量子計(jì)算機(jī)，您最想嘗試解決什么問題？

A：

我真正感興趣的是用量子計(jì)算機(jī)解決量子化學(xué)和量子材料領(lǐng)域的問題。

最近有幾篇論文探討如何用量子計(jì)算機(jī)輔助核磁共振實(shí)驗(yàn)，以求提取更多有用信息；我很喜歡這樣的應(yīng)用嘗試。化學(xué)與材料的量子問題很難通過經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)處理，但能在量子計(jì)算機(jī)上得到本質(zhì)解決——畢竟這只是將量子問題映射到量子計(jì)算系統(tǒng)的過程。

很多人會考慮將量子計(jì)算機(jī)用于優(yōu)化問題或所謂的量子人工智能。不過在我看來，那些嘗試更像“試試深淺看看效果”的探索。而支撐材料和化學(xué)應(yīng)用的理論具有較高確定性。我們知道需要多大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)，也清楚以現(xiàn)有技術(shù)能做出規(guī)模夠大、運(yùn)行速度夠快的機(jī)器。

Q：量子計(jì)算機(jī)的某些潛在用途早在30多年前就已通過數(shù)學(xué)方法確定。為何它們至今仍未成為現(xiàn)實(shí)？

A：

如果將量子比特的特性抽象、簡化，計(jì)算機(jī)科學(xué)家、數(shù)學(xué)家和理論物理學(xué)家都可以參與“如何構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)”的討論。

但真實(shí)世界的物理難題無法簡化，真實(shí)的量子比特存在噪聲源，例如外部導(dǎo)線產(chǎn)生的熱量，或量子比特材料本身的雜質(zhì)。許多大型量子計(jì)算項(xiàng)目由理論派學(xué)者主導(dǎo)，這本身沒問題，但我們要明白，實(shí)際系統(tǒng)很復(fù)雜，為系統(tǒng)打造合適硬件的工作也很復(fù)雜。

我曾跟隨我的研究生導(dǎo)師約翰·克拉克(John Clarke，也是2025年諾貝爾物理學(xué)獎得主)學(xué)習(xí)，對噪聲問題有深入認(rèn)識。這種訓(xùn)練背景對我和我的合作者來說非常寶貴，使我們能以非常“物理”的視角思考量子比特，力求消除導(dǎo)致芯片不可靠的物理噪聲機(jī)制。

以量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)為例：設(shè)備中存在“二能級態(tài)”(two-level states)這類噪聲源，為規(guī)避噪聲，需要開展一些特殊操作；雖然最終可以達(dá)成目標(biāo)，但過程異常棘手，難以擴(kuò)展規(guī)模。

我期待通過現(xiàn)有技術(shù)減小甚至消除此類麻煩，而這要求對量子比特設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)方面深入理解。我們必須兼具硬件基礎(chǔ)和應(yīng)用創(chuàng)意。

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