本文來自微信公眾號(hào)：世界科學(xué)，作者：編譯嗶普星人，原文標(biāo)題：《2025 諾獎(jiǎng)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…》

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

相較于教科書里的理想化世界，他更青睞物理實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)質(zhì)問題與關(guān)鍵細(xì)節(jié)。其實(shí)驗(yàn)突破、理論洞見及工程碩果，構(gòu)成了量子計(jì)算史上最壯闊的篇章。量子計(jì)算領(lǐng)域的兩大重要時(shí)刻均由馬丁尼斯主導(dǎo)締造。

故事始于20世紀(jì)80年代。當(dāng)時(shí)馬丁尼斯在加州大學(xué)伯克利分校攻讀研究生，學(xué)界已明確亞原子粒子受量子效應(yīng)影響，但疑惑量子力學(xué)世界能否擴(kuò)展至更宏觀尺度。馬丁尼斯與同事開展一系列實(shí)驗(yàn)，探索量子效應(yīng)邊界——這些工作后來助力他斬獲2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

他們構(gòu)建并研究由超導(dǎo)體和絕緣體混合制成的電路，結(jié)果顯示電路中眾多帶電粒子表現(xiàn)如同統(tǒng)一量子粒子，即量子宏觀效應(yīng)(macroscopic quantumness)，為行業(yè)建造最強(qiáng)量子計(jì)算機(jī)奠定基礎(chǔ)，如今IBM和谷歌開發(fā)的量子系統(tǒng)均以此為根基。

可以說，馬丁尼斯的工作推動(dòng)了科技巨頭采用超導(dǎo)電路制造量子比特的趨勢(shì)，超導(dǎo)量子比特現(xiàn)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(tái)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，近五年內(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)，后其紀(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)稱該公司將以全新方式力求實(shí)現(xiàn)全行業(yè)夢(mèng)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）雜志專訪，以直擊技術(shù)難點(diǎn)、深入本質(zhì)細(xì)節(jié)、切入應(yīng)用關(guān)節(jié)的硬核方式，分享對(duì)量子計(jì)算機(jī)世界的洞見。

Q：您職業(yè)生涯早期因基礎(chǔ)性研究成果廣受關(guān)注，何時(shí)意識(shí)到自己的實(shí)驗(yàn)可能催生新技術(shù)？

A：

當(dāng)時(shí)存在疑問：宏觀變量可否不遵循量子力學(xué)規(guī)律？或許年長(zhǎng)學(xué)者默認(rèn)量子力學(xué)必然適用，但對(duì)年輕學(xué)生、剛接觸量子力學(xué)的我而言，探尋答案的過程是美妙的實(shí)驗(yàn)旅程，是對(duì)量子力學(xué)根基的基礎(chǔ)驗(yàn)證。

我們先利用已有技術(shù)搭建簡(jiǎn)陋快捷的實(shí)驗(yàn)裝置，采集數(shù)據(jù)階段實(shí)驗(yàn)徹底失敗，好在試錯(cuò)過程快。我們意識(shí)到要做好實(shí)驗(yàn)，必須掌握微波工程知識(shí)，理解噪聲問題，攻克諸多技術(shù)環(huán)節(jié)。解決一系列問題后，成功很快到來。

以這項(xiàng)成功實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，此后十年我們持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化并開發(fā)量子設(shè)備。同時(shí)量子計(jì)算理論取得長(zhǎng)足進(jìn)步，肖爾算法(用于分解大數(shù)破解密碼)和糾錯(cuò)算法尤為關(guān)鍵，整個(gè)領(lǐng)域地基堅(jiān)實(shí)，研究者得以構(gòu)想創(chuàng)建實(shí)際裝置，相關(guān)資金也開始涌入。

Q：資金支持顯著影響該領(lǐng)域研究工作及技術(shù)發(fā)展進(jìn)程，對(duì)嗎？

A：

20世紀(jì)80年代，行業(yè)尚未驗(yàn)證單個(gè)量子系統(tǒng)能否被準(zhǔn)確操控與測(cè)量。過去四十年發(fā)展天翻地覆，如今量子計(jì)算已是廣闊天地！最令人感嘆的是，現(xiàn)在有眾多物理學(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：您親歷量子計(jì)算發(fā)展最初階段，這段經(jīng)歷是否影響您對(duì)領(lǐng)域現(xiàn)狀的認(rèn)識(shí)和未來展望？

A：

作為全程親歷的老人，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(shí)，我研制首批用于量子設(shè)備的微波電子系統(tǒng)；加入谷歌后，又自主建造制冷裝置為超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)提供極低運(yùn)行溫度，可說參與過每個(gè)組件的開發(fā)。

許多未親身參與的人可能樂觀視一切進(jìn)展為技術(shù)必然，而我知曉阻礙進(jìn)展的問題所在。

歸根結(jié)底，構(gòu)建量子計(jì)算系統(tǒng)是系統(tǒng)工程，我在這方面的優(yōu)勢(shì)是對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)的物理原理有深刻理解。

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)歷怎樣變革才能真正應(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)視角重新思考量子計(jì)算機(jī)及需構(gòu)建改進(jìn)的基礎(chǔ)要素。

QoLab公司基于新理念、新方法創(chuàng)立，團(tuán)隊(duì)在量子比特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(shí)到要實(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)者必須顛覆傳統(tǒng)思維方式，這很難且難以被理解。我們?cè)庥龀躅A(yù)想的質(zhì)疑和阻力，但以數(shù)十年物理研究經(jīng)驗(yàn)看，這恰恰意味著思路值得嘗試。

Q：常聽到打造真正實(shí)用、無誤差的量子計(jì)算機(jī)需數(shù)百萬個(gè)量子比特，如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)？

A：

制造方法——尤其是量子芯片制造工藝——是最關(guān)鍵也最困難的部分。

看巨頭企業(yè)，谷歌、IBM、亞馬遜等現(xiàn)階段還用著可能來自20世紀(jì)五六十年代的制造技術(shù)，我不認(rèn)為當(dāng)前其他行業(yè)會(huì)用如此老派的方法構(gòu)建電路。我們的觀點(diǎn)是：要打造百萬量子比特系統(tǒng)，就別走尋常路。

見過超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)造型便知，那是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，從根本改變?cè)O(shè)備制造方式，正努力開發(fā)擺脫一切連線的芯片架構(gòu)，想把所有要素塞進(jìn)芯片，同時(shí)擴(kuò)大芯片規(guī)模。

Q：您認(rèn)為5年內(nèi)會(huì)有贏家從實(shí)用量子計(jì)算機(jī)競(jìng)賽中脫穎而出嗎？

A：

行業(yè)正嘗試多種方式創(chuàng)建量子計(jì)算機(jī)，鑒于系統(tǒng)工程層面制約嚴(yán)苛，多元化探索路徑是好事，樂見不同路線獲資金支持，帶來更大創(chuàng)新可能。

但不得不說，面對(duì)復(fù)雜限制和真正困難，如成本控制或規(guī)?；a(chǎn)設(shè)備等問題，現(xiàn)有許多項(xiàng)目略顯“稚嫩”。另一方面，我相信許多研究團(tuán)隊(duì)有解決難題的思路，只是尚未公開。

在我看來，QoLab的商業(yè)計(jì)劃不同甚至獨(dú)特，理念是積極開放協(xié)作、匯聚各方智慧，目前正與懂規(guī)?；⒄莆占舛酥圃旒夹g(shù)的硬件公司合作。

Q：若此刻有人給您一臺(tái)規(guī)模巨大且無誤差的量子計(jì)算機(jī)，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。

最近有論文探討用量子計(jì)算機(jī)輔助核磁共振實(shí)驗(yàn)提取更多有用信息，我很喜歡這樣的應(yīng)用嘗試?；瘜W(xué)與材料的量子問題難通過經(jīng)典超級(jí)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——畢竟是將量子問題映射到量子計(jì)算系統(tǒng)的過程。

很多人考慮將量子計(jì)算機(jī)用于優(yōu)化問題或量子人工智能，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)用的理論確定性較高，我們知道需要多大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)，也清楚現(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30多年前已通過數(shù)學(xué)方法確定，為何至今仍未成為現(xiàn)實(shí)？

A：

若將量子比特特性抽象簡(jiǎn)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(jiǎn)化，真實(shí)量子比特存在噪聲源，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，但實(shí)際系統(tǒng)復(fù)雜，為系統(tǒng)打造合適硬件的工作也很復(fù)雜。

我曾跟隨研究生導(dǎo)師約翰·克拉克(John Clarke，2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主)學(xué)習(xí)，對(duì)噪聲問題有深入認(rèn)識(shí)。這種訓(xùn)練背景對(duì)我和合作者非常寶貴，使我們能以“物理”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(jí)態(tài)”(two-level states)這類噪聲源，為規(guī)避噪聲需開展特殊操作；雖最終可達(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，這要求對(duì)量子比特設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)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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