12月6日至12日，14位諾貝爾獎獲獎?wù)啐R聚斯德哥爾摩，參與為期一周的2025年諾貝爾頒獎周活動。獲獎?wù)吆w生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎、物理學(xué)獎、化學(xué)獎及經(jīng)濟(jì)學(xué)獎等多個領(lǐng)域。繼今年10月受邀參加諾貝爾獎新聞發(fā)布會后，墨子沙龍?jiān)俅螛s幸獲邀參與本屆諾獎周活動。在卡洛琳斯卡醫(yī)學(xué)院和瑞典皇家科學(xué)院，墨子沙龍現(xiàn)場參加了諾貝爾獎得主記者見面會，聆聽了獲獎?wù)邆兊膶W(xué)術(shù)報(bào)告，并將陸續(xù)與讀者分享現(xiàn)場的精彩內(nèi)容。

今日分享的是2025年諾貝爾物理學(xué)獎得主約翰·馬丁尼斯（John Martinis）的獲獎報(bào)告。1980年，馬丁尼斯加入約翰·克拉克（John Clarke）的研究小組攻讀博士學(xué)位；兩年后，米歇爾·德沃雷（Michel Devoret）也以博士后身份加入該團(tuán)隊(duì)。1985年，他們共同“發(fā)現(xiàn)了宏觀量子隧穿效應(yīng)與電路中的能量量子化現(xiàn)象”。2019年，馬丁尼斯與谷歌團(tuán)隊(duì)合作，在全球首次利用超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。2025年，他憑借相關(guān)貢獻(xiàn)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。

在本次報(bào)告中，馬丁尼斯回顧了自己從博士生到谷歌首席科學(xué)家，再到諾貝爾獎得主的科研歷程，并大膽預(yù)言：量子計(jì)算領(lǐng)域的下一次飛躍，即將在不久的將來實(shí)現(xiàn)。

我很榮幸今天能在這里和大家交流。當(dāng)我還是研究生的時(shí)候，我加入了約翰·克拉克（John Clarke）實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)樗?dāng)時(shí)正在進(jìn)行一些非常有趣的實(shí)驗(yàn)，研究電路中的量子噪聲現(xiàn)象。這恰好結(jié)合了我的個人興趣——我對電子學(xué)很感興趣，同時(shí)作為一名研究生，我對量子力學(xué)非常著迷，并且渴望通過實(shí)驗(yàn)來更好地理解它。

今天，我很榮幸能為大家介紹我們的合作項(xiàng)目 —— 該項(xiàng)目最終成為了我在加州大學(xué)伯克利分校的畢業(yè)論文。接下來，我還會簡要分享這項(xiàng)研究的后續(xù)發(fā)展方向，以及它在我職業(yè)生涯中衍生出的其他一些優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)案例。我想說，在我的職業(yè)生涯中，我非常榮幸能夠?qū)Ｗ⒂谖锢韮x器的研發(fā)，制造各種形式的量子器件。數(shù)年前我前往劍橋大學(xué)深造后悟到一點(diǎn)，如果你追溯我的科學(xué)傳承，從約翰·克拉克到劍橋大學(xué)，你會發(fā)現(xiàn)我的導(dǎo)師們都非常出色，他們研發(fā)出了卓越的儀器，并且從這些自研儀器中探索出了大量物理新發(fā)現(xiàn)。此外，在加州大學(xué)伯克利分校，歐內(nèi)斯特·勞倫斯（Ernest Lawrence）建造了回旋加速器以及伯克利的其他加速器，這激發(fā)了我對探索這類科學(xué)儀器的興趣，也促成了許多有趣的事情。

宏觀物體是否遵循量子力學(xué)規(guī)律？

前面的講座已經(jīng)探討過遵循量子力學(xué)規(guī)律的宏觀變量。在此，我想談?wù)剛€人觀點(diǎn)：物理學(xué)家對量子力學(xué)之所以會產(chǎn)生某種不適感，實(shí)際上源于量子力學(xué)本身包含的兩個核心命題。一個是關(guān)于量子力學(xué)的波動性，由薛定諤波動方程描述，以及能級等等。另一個是關(guān)于對量子態(tài)的觀測和測量。很多物理學(xué)家都覺得這個命題太多了，應(yīng)該只有一個。這種不適感的一部分在薛定諤的貓悖論中得到了很好的體現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中，一個原子發(fā)生微觀層面的衰變，而這一衰變事件會決定盒內(nèi)的貓的生死 —— 原子衰變則貓死亡，未衰變則貓存活。在打開盒子進(jìn)行觀測和測量之前，悖論的核心問題便隨之產(chǎn)生：作為宏觀生命體的貓，是否能夠被描述為既死又活的疊加態(tài)？

正如我們之前所探討的，萊格特教授（Anthony J. Leggett）曾提出一種觀點(diǎn)：量子力學(xué)的規(guī)律或許決定了宏觀物體無法處于量子疊加態(tài)。要驗(yàn)證這一猜想，我們就必須尋找相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。此外，他還針對性地提出了電路實(shí)驗(yàn)方案。萊格特教授的有一項(xiàng)研究非常精彩。他指出，這與證明微觀量子力學(xué)規(guī)律可在宏觀尺度上被觀測到的情況并非同一概念。晶體就是一個很好的例子，晶體中的原子由于微觀物理的相互作用而彼此連接，并因此以規(guī)則的方式堆疊。如果生長得當(dāng)，它們可以堆疊到宏觀尺度。但即便如此，你觀察到的仍然是它們以高度可重復(fù)的方式堆疊的宏觀特性。這是一種非常神奇的現(xiàn)象，以至于在我的家鄉(xiāng)加利福尼亞州，人們認(rèn)為這種晶體具有神奇的療愈力量。這真是一個令人驚嘆的現(xiàn)象。超導(dǎo)現(xiàn)象中也存在類似的情形：超導(dǎo)體內(nèi)部的粒子會在相位上實(shí)現(xiàn)協(xié)同排布，由此便能產(chǎn)生長程超導(dǎo)相干性。

我們目前開展的研究，則看起來截然不同。我們的核心問題是：宏觀物體是否遵循量子力學(xué)規(guī)律？例如，把球扔向墻壁是否存在極短的一段時(shí)間內(nèi)，這個球能夠隧穿穿過墻面？對于真實(shí)的球體而言，這種情況是否可能發(fā)生？但如果我們設(shè)計(jì)出恰當(dāng)?shù)碾娐?，就能夠通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一點(diǎn)。為了確保我們真正理解，我們來討論一下宏觀變量。一個很好的例子是某種材料在高溫下的氣體，所有物質(zhì)都從表面脫離，原子四處飛散。顯然，這是一個非常復(fù)雜的狀態(tài)，難以描述。如果溫度低于凝固溫度，它就會形成固體，甚至可能是晶體，現(xiàn)在，如果你想描述這個系統(tǒng)的狀態(tài)，你只需要描述質(zhì)心即可。這比描述氣體時(shí)物理現(xiàn)象要簡單得多。

金屬中的電子也是如此。有一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)需要考慮，但你可以把它想象成電子氣體。當(dāng)冷卻時(shí)，會發(fā)現(xiàn)沿一個方向流動的電子和沿相反方向流動的電子會形成稱為庫珀對的結(jié)構(gòu)，它們的凈動量為零。因此，每個庫珀對的動量為零，并且每個庫珀對都可以通過聲子凝聚機(jī)制與其他庫珀對相互作用。超導(dǎo)態(tài)的奇妙之處在于，它有一個自由參數(shù)，就像固體一樣，質(zhì)心也是一個自由參數(shù)，稱為相位。如果相位隨距離發(fā)生變化，就相當(dāng)于導(dǎo)線中有電流流過。只要電流不太大，它就處于超導(dǎo)態(tài)。如果電流過大，它就會開始表現(xiàn)得像普通金屬一樣，破壞庫珀對。

我們在這里做的是制造一個帶有弱連接（勢壘）的超導(dǎo)體。這里，勢壘是非常薄的氧化鋁。然后，根據(jù)約瑟夫森效應(yīng)（Josephson effect），流過該器件的電流具有一個最大值，即臨界電流，我們可以將其在我們的器件中調(diào)節(jié)到幾微安的精度，帶有一個相位的符號差別。直到這里，一切仍然遵循經(jīng)典理論。正如我們之前討論過的，我們感興趣的是零電壓狀態(tài)，此時(shí)器件表現(xiàn)得像一個良好的超導(dǎo)體。如果流過該器件的電流過大，它就會進(jìn)入正常電壓狀態(tài)，沿著勢阱向下滾動 。這種轉(zhuǎn)變是由越過或穿過我們之前描述的勢壘決定的。當(dāng)電流接近臨界電流時(shí)，勢壘高度趨于零。當(dāng)電流接近零時(shí)，勢壘高度會以3/2次方遞增。據(jù)此，我們在實(shí)驗(yàn)中做的第一件事就是非常清晰地寫下其中的物理原理，即上圖的三個公式。在高溫下的情況，可以從經(jīng)典角度來看，這只是一個玻爾茲曼因子（Boltzmann factor）和阿倫尼烏斯定律（Arrhenius Law），它非常依賴于ΔU和kT的比值。然而在量子區(qū)間，它又可以隧穿，這同樣可以用我在這里給出的另一個公式（第三個公式）來解釋。此外，由于量子噪聲，我們還要考慮第三種情況，即

。我們原本以為這種情況不會發(fā)生。但關(guān)鍵在于，這三個公式截然不同。如果我們仔細(xì)測量參數(shù)，就能區(qū)分它們，并確定其物理本質(zhì)。

如何通過實(shí)驗(yàn)觀察到量子隧穿？

現(xiàn)在我想簡單談?wù)劻孔铀泶?。正如記者們在諾貝爾獎之后采訪我時(shí)所說，每當(dāng)我提到波函數(shù)時(shí)，他們就完全不理解。我認(rèn)為有一種更直觀的理解方式。那就是，大自然就像一個神經(jīng)質(zhì)的銀行家。大自然可以借給你一些能量，但過一小段時(shí)間t后它又想要收回這些能量。這個能量乘以時(shí)間t等于普朗克常數(shù)，米歇爾說它大約是 10 的 -34 次方(自然單位制)。你必須保證 ΔU 和 Δt 都很小，但這樣你仍然可以借用和歸還能量。這樣做的好處之一是，就像米歇爾提到的那樣，如果你考慮阻尼和摩擦，你可以想象，由于隧穿過程中會產(chǎn)生摩擦，你需要借用更多的能量來克服它。這就是為什么在量子公式的指數(shù)中，有一個與耗散相關(guān)的因子。這樣你就可以大大降低量子隧穿效應(yīng)。如果你有耗散，你就必須圍繞它來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

這就是這個實(shí)驗(yàn)。我們第一次做這個實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，完全失敗了，這對實(shí)驗(yàn)人員來說并不意外。然后我們坐下來，試圖弄明白到底發(fā)生了什么。我們首先意識到的一件事是，這是一個微波實(shí)驗(yàn)。這種微波的振蕩頻率約為 5 或 10 GHz，實(shí)際上，這種頻率的微波非常狡猾，你也知道這件事，因?yàn)榧词乖诮ㄖ飪?nèi)，你也能接收到來自很遠(yuǎn)外部的手機(jī)信號，它可以通過某種方式穿透并產(chǎn)生這種效果。

所以我們必須把實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)成對微波具有極佳的屏蔽效果。我們采用了上圖這種特殊的設(shè)計(jì)。右側(cè)的芯片帶有十字形連接點(diǎn)。它連接到一條屏蔽效果非常好的同軸線上。末端有一個蓋子，確保屏蔽效果良好。此外，我們在同軸線中填充了銅粉，銅粉具有很大的表面積，可以有效地阻尼微波輻射。你可以看到，我們填充了銅粉。末端是一個SMA連接器（一種非常好的牢固的連接器）。上圖左側(cè)的另外兩個圓筒是進(jìn)一步的濾波器，確保沒有能量進(jìn)入中心區(qū)域。還有一個微波連接器，用于注入我們剛才提到的微波。這個濾波器實(shí)際上是我們研究和仔細(xì)測量的最重要的部件之一，正是它使實(shí)驗(yàn)得以進(jìn)行。那么，我們?nèi)绾螠y量這些參數(shù)？這非常重要。

上圖左側(cè)的部分，是我們用這個裝置，測量了變化電流下的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)速率，發(fā)現(xiàn)頻率在這里緩慢變化。我們在這里設(shè)定了一個固定頻率，4.9 GHz。然后，當(dāng)微波驅(qū)動粒子的頻率相同時(shí)，可以看到速率增強(qiáng)，這是物理學(xué)中一直研究的共振增強(qiáng)現(xiàn)象。從該特定躍遷的峰值，我們可以得到系統(tǒng)的振蕩頻率。從其高頻段的寬度，我們可以得到阻尼。有了這些，我們就得到了一個我們需要知道的基本參數(shù)——振蕩頻率。右邊是我們繪制的原始數(shù)據(jù)。我們用等離子頻率ωp/2π對Γ進(jìn)行歸一化，再取對數(shù)，因?yàn)殡娏骱挺之間的關(guān)系，所以取 2/3 次方，這是一個類似阿倫尼烏斯圖的曲線。如果你的數(shù)據(jù)質(zhì)量良好（記住，一開始數(shù)據(jù)并不好，但現(xiàn)在很好），它應(yīng)該呈現(xiàn)一條漂亮的直線，就像我們在圖表中心附近的點(diǎn)看到的那樣。這些點(diǎn)的數(shù)據(jù)非常理想。如果你將這條直線外推到縱軸的零點(diǎn)，就能得到器件的臨界電流，就是在ΔU=0的地方。

你可以在不同的溫度下進(jìn)行測試，觀察I0值是否一致。你需要進(jìn)行一些修正才能正確理解這個值。

有趣的是，隨著溫度越來越低，曲線變得越來越陡峭。在大約25到19毫開爾文之間，曲線斜率就不再變化了。這再次表明你觀察到了新的物理現(xiàn)象。這條曲線的斜率可以表示器件的有效溫度，它是根據(jù)公式中的ΔU進(jìn)行縮放得到的。我們稱之為逃逸溫度。下圖繪制的是逃逸溫度與實(shí)際溫度的關(guān)系圖。正如之前所述，高溫下逃逸溫度Test等于T,這是不出意料的，因?yàn)檫@一切都符合經(jīng)典物理規(guī)律。

然后，當(dāng)溫度逐漸降低時(shí)，就開始趨于穩(wěn)定了。這里我先停一下。數(shù)值趨于平穩(wěn)，并不意味著你觀測到了量子隧穿效應(yīng) —— 這正是我們最開始時(shí)獲得的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。你怎么能確定這不是其他物理機(jī)制導(dǎo)致的呢？有可能是外界的噪聲混入了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，才讓數(shù)值出現(xiàn)了平穩(wěn)的現(xiàn)象。所以，設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)時(shí)必須格外嚴(yán)謹(jǐn)。我們當(dāng)時(shí)做了一組對照實(shí)驗(yàn)：首先，我們給系統(tǒng)加裝了優(yōu)質(zhì)的微波濾波器，確保已經(jīng)排除了所有可能的干擾因素。第二步，我們利用平行于結(jié)區(qū)的磁場，來降低系統(tǒng)的臨界電流，最終把臨界電流降到了約 1 微安。這樣一來，系統(tǒng)振蕩的頻率也隨之降低，在幾乎整個降溫過程中，系統(tǒng)都表現(xiàn)出經(jīng)典物理特性。這部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們用空心圓來標(biāo)注，如右圖所示。大家可以看到，空心圓對應(yīng)的數(shù)值明顯偏低。這一結(jié)果也證明，我們對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的溫度控制已經(jīng)足夠精準(zhǔn)。

最后再回到數(shù)值平穩(wěn)的問題上：平穩(wěn)后的數(shù)值到底是多少呢？上圖右半部分坐標(biāo)軸上標(biāo)注的符號MQT，就是我們在測量完所有參數(shù)后，計(jì)算得出的理論預(yù)測值。大家能看到，在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，實(shí)測數(shù)據(jù)和理論預(yù)測值完全吻合。因此我們認(rèn)為，這是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)正常工作的可靠方法。為了從數(shù)值層面證明這一點(diǎn)，我們此前也付出了大量的努力。

一個實(shí)驗(yàn)，直觀看懂能級量子化

現(xiàn)在我想談?wù)勀芗壛孔踊?。這張幻燈片是給正在學(xué)習(xí)量子力學(xué)的新生看的。

問題是這樣的，在量子力學(xué)中，能級量子化最初是通過普朗克輻射定律（紅外光譜）發(fā)現(xiàn)的。這里假設(shè)能級是量子化的，彼此之間的距離為?ω。但接下來需要進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)力學(xué)計(jì)算，這些計(jì)算在當(dāng)時(shí)非?；逎y懂。之后，你可以復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這當(dāng)然很棒。然而，對于新生來說，這很容易讓人感到不知所措。所以我想向你們展示的是，利用我們現(xiàn)在能夠制造的新型量子設(shè)備（可以說是所有這些研究的成果），可以直接測量光子。

這是我在90年代末與Sae Woo Nam合作完成的一個實(shí)驗(yàn)。不幸的是，他去年去世了。但這個實(shí)驗(yàn)真的非常精彩。我們的做法是，取一小塊溫度極低、熱容很小的超導(dǎo)體，讓它處于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近。這樣它就非常靈敏。然后把它連接到我們之前提到的量子極限超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）放大器上。這樣，你就可以施加一個能量脈沖，并獲得非常精細(xì)的能量分辨率。比如，你取一束外觀呈現(xiàn)經(jīng)典脈沖星輻射特性的光束（波長為 1556 納米），我們先將其調(diào)制成短脈沖形式。這樣一來，光束平均便具有了特定的能量值。隨后，我們對該脈沖激光進(jìn)行衰減處理，再將其入射到微熱量計(jì)上。原理很簡單：當(dāng)微熱量計(jì)吸收了激光的能量后，會將其轉(zhuǎn)化為熱量，自身溫度隨之上升；之后，經(jīng)過一段時(shí)間，溫度又會下降，最終恢復(fù)至熱平衡狀態(tài) —— 這完全符合一臺高靈敏度測溫儀的預(yù)期工作特性。

在上圖的右上角，我們展示了一些時(shí)間軌跡?？梢钥吹綔囟认壬?，這就是信號。然后溫度隨時(shí)間下降。但如果你仔細(xì)觀察，會發(fā)現(xiàn)溫度曲線呈現(xiàn)出條帶狀分布。如果你觀察峰值并將其繪制成直方圖，你會發(fā)現(xiàn)這個脈沖的能量存在離散的峰值。按照經(jīng)典理論，你預(yù)期只有一個能量值。但在這里你看到的是一系列能量值，它們之間的間隔是普朗克常數(shù)乘以頻率。你看到的這種能量量子化正是普朗克輻射定律所假設(shè)的。而現(xiàn)在，你可以直接從一臺高靈敏度探測器連接的示波器上觀測到這一現(xiàn)象 —— 這臺探測器能夠測量極其微弱的能量信號。我希望后人在回顧這個實(shí)驗(yàn)時(shí)，能夠?qū)ο嚓P(guān)物理機(jī)制形成更直觀的認(rèn)知，這也是我在此處介紹它的原因。

接下來要講的是我們之前提到過的能級實(shí)驗(yàn)：在實(shí)驗(yàn)中，我們向系統(tǒng)施加微波信號；當(dāng)微波以特定方式與系統(tǒng)發(fā)生共振時(shí)，就能觀測到逃逸率的顯著提升。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常有價(jià)值，它從定性層面證實(shí)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在量子力學(xué)的獨(dú)特特征，而這種特征正是能級量子化所具備的基礎(chǔ)性標(biāo)志。

當(dāng)我在示波器上看到這個現(xiàn)象時(shí)，我感到特別興奮。這可以說是我研究生生涯中最激動人心的時(shí)刻。我們從這個結(jié)果中能得到什么啟示呢？我們找到了一種制備人工原子的全新方法。傳統(tǒng)意義上，我們依靠元素周期表去認(rèn)知原子；而如今，我們可以借助這些電路來實(shí)現(xiàn)人工原子的構(gòu)建。

另外，在此次諾貝爾獎周的活動中，我偶然看到了經(jīng)濟(jì)學(xué)獎的宣傳海報(bào)，從中了解到了“組合知識”這一概念。當(dāng)你擁有這種知識時(shí)，你就能獲得對你所觀察事物的非常基礎(chǔ)的理解。從技術(shù)角度來看，它使你能夠在發(fā)現(xiàn)之后繼續(xù)前進(jìn)，因?yàn)槟憧梢赃M(jìn)行概括，并真正理解正在發(fā)生的事情。我想說的是，在這個實(shí)驗(yàn)中，我們試圖從基礎(chǔ)入手，真正理解這個問題。正因如此，在過去的40年里，該領(lǐng)域的研究人員才得以取得巨大進(jìn)展。不過，我也要補(bǔ)充一點(diǎn)，為了取得這些進(jìn)展，大自然對我們非常慷慨，提供了穩(wěn)定的約瑟夫森結(jié)，使我們能夠進(jìn)行高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)，但同時(shí)也給我們留下了一些微妙之處。因此，我們需要眾多物理學(xué)家的參與才能使這一切順利進(jìn)行。這真是一個完美的組合，不是嗎？

在這之后，我們開展了一項(xiàng)十分出色的實(shí)驗(yàn)，直接測量了量子隧穿的時(shí)長。我們是如何實(shí)現(xiàn)這一測量的呢？可以用小球的類比來解釋：我們制作了一個可形變的 “小球”，并通過調(diào)控讓它具備可調(diào)節(jié)的時(shí)間動力學(xué)特性，隨后觀察改變 “小球” 特性時(shí)，隧穿過程會發(fā)生怎樣的變化。在本實(shí)驗(yàn)中，我們在一段低溫平面波導(dǎo)的末端設(shè)置了一個結(jié)區(qū)。這種平面波導(dǎo)的工藝極為精密復(fù)雜。結(jié)區(qū)旁連接著一個波阻抗為 72 歐姆的元件，而在離結(jié)區(qū)一段距離的位置，我們設(shè)置了一個低阻抗的短路結(jié)構(gòu)，以此增強(qiáng)系統(tǒng)的耗散效應(yīng)。隨后，我們用同一條連接線將其一路連接至室溫環(huán)境，并且可以調(diào)節(jié)連接線的長度。我們來看右側(cè)的逃逸率曲線：在高溫條件下，逃逸率由公式ΔU/kT決定，整體走勢基本保持平穩(wěn)。但到了低溫區(qū)間，逃逸率或隧穿時(shí)長會出現(xiàn)顯著變化，這一點(diǎn)從短時(shí)區(qū)域的曲線變化中就能清晰看出。我們先觀察高耗散狀態(tài)下的短時(shí)區(qū)域：這種情況下，系統(tǒng)的隧穿時(shí)長會相應(yīng)變長。而當(dāng)進(jìn)入長時(shí)區(qū)域后，耗散效應(yīng)的影響就不復(fù)存在了，此時(shí)系統(tǒng)僅受 72 歐姆阻抗的主導(dǎo)，逃逸率也會降至另一個不同的水平。在短時(shí)與長時(shí)區(qū)域之間，逃逸率則呈現(xiàn)出上下波動的狀態(tài)。關(guān)鍵現(xiàn)象出現(xiàn)在隧穿時(shí)長約為 30 皮秒的延遲時(shí)刻 —— 此時(shí)系統(tǒng)正發(fā)生量子隧穿。在隧穿事件發(fā)生之前，系統(tǒng)有機(jī)會向下躍遷至某一能級，發(fā)生相互作用后再躍遷返回，并與自身產(chǎn)生量子干涉。這里的特征時(shí)間是一個真實(shí)存在的物理量，它反映的正是這一極短時(shí)間窗口內(nèi)的物理過程。

如何標(biāo)定和制備量子比特？

接下來，我想介紹我們團(tuán)隊(duì)于 2008 至 2009 年在加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校開展的一項(xiàng)研究，今天現(xiàn)場的安德魯?克利夫蘭當(dāng)時(shí)也參與了這項(xiàng)工作。

我們當(dāng)時(shí)的研究方向是量子比特的制備，并嘗試將量子比特與諧振器電路相耦合。在這款特制電路中，我們能夠?qū)α孔颖忍赝瓿蓸?biāo)定工作。大家可以看到左下方的這條曲線：我們先將量子比特調(diào)節(jié)至非諧振狀態(tài)，使其不與諧振器發(fā)生耦合；隨后再將其調(diào)至諧振狀態(tài)，讓二者產(chǎn)生相互作用，通過這一系列操作完成標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)量子比特向諧振器的可控光子傳輸。

這項(xiàng)研究的一大亮點(diǎn)在于，我們能夠制備出多種復(fù)雜的量子態(tài)，例如 |0?+|5? 或 |0?+i|3?+|6? 這類疊加態(tài)。我們采用了勞埃德和埃弗里特提出的精妙實(shí)驗(yàn)方案，核心原理是在完成上述兩步標(biāo)定后，施加 10 至 12 個脈沖序列，使系統(tǒng)內(nèi)各元件產(chǎn)生協(xié)同相互作用。借助這套方法，我們得以從簡單的標(biāo)定操作出發(fā)，制備出復(fù)雜度高得多的量子態(tài)。大家可以看到頁面上方的對比圖：理論曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度極高。圖中呈現(xiàn)的是一種名為維格納分布（Wigner distribution）的準(zhǔn)概率分布，它能夠直觀反映量子態(tài)的具體特征。我之所以展示這項(xiàng)成果，是因?yàn)樗?strong>證明我們可以通過簡單標(biāo)定實(shí)現(xiàn)復(fù)雜量子態(tài)的制備。正是這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，讓我對構(gòu)建復(fù)雜量子計(jì)算序列并使其穩(wěn)定運(yùn)行的可行性有了更大信心，也讓我堅(jiān)信我們的研究方向是完全正確的。

下一次量子計(jì)算飛躍還有多遠(yuǎn)？

最后，在進(jìn)入總結(jié)部分之前，我想簡要提一下量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)。我在谷歌工作期間，參與研發(fā)了一臺53 量子比特的量子計(jì)算機(jī)。我們成功設(shè)計(jì)出一套包含數(shù)千個標(biāo)定完備邏輯門的復(fù)雜運(yùn)算序列，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與量子力學(xué)的理論預(yù)測完全吻合。這項(xiàng)研究的精妙之處在于，該量子電路的算力源于其對超大計(jì)算空間的利用 —這一空間就是物理學(xué)家所說的希爾伯特空間，其維度高達(dá)253，對應(yīng)約1016種量子態(tài)。這與我博士論文中的實(shí)驗(yàn)有著異曲同工之妙，同樣印證了宏觀量子計(jì)算的物理基礎(chǔ)仍是量子力學(xué)。我們的研究進(jìn)一步拓展了人類對量子力學(xué)的認(rèn)知邊界，這是一項(xiàng)令人振奮的成果。此后，其他研究團(tuán)隊(duì)也在此基礎(chǔ)上繼續(xù)深化探索。基于這些突破，我們有理由相信，構(gòu)建一臺高性能量子計(jì)算機(jī)的目標(biāo)觸手可及。目前的核心任務(wù)，就是找到與之適配的實(shí)用算法并將其落地應(yīng)用。

我們可以用一組鮮明的對比來總結(jié)量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展歷程：1985 年，研究生們開展的研究還停留在性能可靠的微波實(shí)驗(yàn)階段；而到了 2019 年，我們已經(jīng)能夠研發(fā)出各類量子芯片。整個領(lǐng)域在這段時(shí)期實(shí)現(xiàn)了極為精細(xì)且深入的跨越式發(fā)展，這樣的進(jìn)步令人振奮，也讓我們對未來滿懷憧憬。我曾在論文中闡述了這樣一個觀點(diǎn)：要在未來 5 到 10 年內(nèi)成功研制出實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)，我們必須實(shí)現(xiàn)一次制造工藝的技術(shù)飛躍。我相信這次飛躍的量級將堪比 1985 年到 2019 年的行業(yè)巨變。然而，我認(rèn)為，由于我們現(xiàn)在可以利用半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的力量，以更可靠的方式實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們不需要花費(fèi)35年的時(shí)間。我相信我們可以更快地實(shí)現(xiàn)它。這就是我創(chuàng)辦公司努力的方向。

總結(jié)

最后，我想總結(jié)一下。正如我一開始所說，我研究這些裝置是為了了解量子力學(xué)，并且能夠直觀地理解量子力學(xué)的運(yùn)作方式?？梢哉f，這就是我職業(yè)生涯的歷程，理解量子力學(xué)的過程也讓我感到非常愉快?；仡櫼幌?，我們有一個很棒的實(shí)驗(yàn)，它直接展示了光子的能級量子化，這非常棒?，F(xiàn)在我們可以理解隧穿效應(yīng)，我們有光子發(fā)生器、復(fù)數(shù)發(fā)生器，還有量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)，我認(rèn)為這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)最值得稱道的一點(diǎn)在于，它的結(jié)論恰恰印證了量子力學(xué)的理論預(yù)言。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，盡管量子力學(xué)并非完美無缺 ，過程中會不可避免地產(chǎn)生誤差 ，但只要你先測量單個直觀誤差，再去測量整個復(fù)雜系統(tǒng)的誤差，就會發(fā)現(xiàn)兩者間的關(guān)系完全遵循高中階段所學(xué)的概率統(tǒng)計(jì)規(guī)律。我覺得這一點(diǎn)實(shí)在令人驚嘆：量子力學(xué)既能支撐復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，其自身的不完美之處卻能通過更簡潔的方式來理解。

以上就是我的分享，感謝大家的聆聽。能有機(jī)會和各位聊聊我的科研歷程，對我而言是莫大的榮幸。

文字整理：小鈺