12月6日至12日，14位諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)啐R聚斯德哥爾摩，參與為期一周的2025年諾貝爾頒獎(jiǎng)周活動(dòng)。獲獎(jiǎng)?wù)吆w生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、物理學(xué)獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng)及經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)等多個(gè)領(lǐng)域。繼今年10月受邀參加諾貝爾獎(jiǎng)新聞發(fā)布會(huì)后，墨子沙龍?jiān)俅螛s幸獲邀參與本屆諾獎(jiǎng)周活動(dòng)。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(chǎng)參加了諾貝爾獎(jiǎng)得主記者見(jiàn)面會(huì)，聆聽(tīng)了獲獎(jiǎng)?wù)邆兊膶W(xué)術(shù)報(bào)告，并將陸續(xù)與讀者分享現(xiàn)場(chǎng)的精彩內(nèi)容。

今日分享的是2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主約翰·馬丁尼斯（John Martinis）的獲獎(jiǎng)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(jiǎng)。

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(jiǎng)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(lái)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(gè)人興趣——我對(duì)電子學(xué)很感興趣，同時(shí)作為一名研究生，我對(duì)量子力學(xué)非常著迷，并且渴望通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)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(lái)，我還會(huì)簡(jiǎn)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(shuō)，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(huì)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(duì)探索這類(lèi)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(guò)遵循量子力學(xué)規(guī)律的宏觀變量。在此，我想談?wù)剛€(gè)人觀點(diǎn)：物理學(xué)家對(duì)量子力學(xué)之所以會(huì)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(gè)核心命題。一個(gè)是關(guān)于量子力學(xué)的波動(dòng)性，由薛定諤波動(dòng)方程描述，以及能級(jí)等等。另一個(gè)是關(guān)于對(duì)量子態(tài)的觀測(cè)和測(cè)量。很多物理學(xué)家都覺(jué)得這個(gè)命題太多了，應(yīng)該只有一個(gè)。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(gè)原子發(fā)生微觀層面的衰變，而這一衰變事件會(huì)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(kāi)盒子進(jìn)行觀測(cè)和測(cè)量之前，悖論的核心問(wèn)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(wú)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(duì)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(cè)到的情況并非同一概念。晶體就是一個(gè)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(zhǎng)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(gè)令人驚嘆的現(xiàn)象。超導(dǎo)現(xiàn)象中也存在類(lèi)似的情形：超導(dǎo)體內(nèi)部的粒子會(huì)在相位上實(shí)現(xiàn)協(xié)同排布，由此便能產(chǎn)生長(zhǎng)程超導(dǎo)相干性。

我們目前開(kāi)展的研究，則看起來(lái)截然不同。我們的核心問(wèn)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(gè)球能夠隧穿穿過(guò)墻面？對(duì)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?cè)O(shè)計(jì)出恰當(dāng)?shù)碾娐?，就能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一點(diǎn)。為了確保我們真正理解，我們來(lái)討論一下宏觀變量。一個(gè)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(gè)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(huì)形成固體，甚至可能是晶體，現(xiàn)在，如果你想描述這個(gè)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(jiǎn)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(huì)發(fā)現(xiàn)沿一個(gè)方向流動(dòng)的電子和沿相反方向流動(dòng)的電子會(huì)形成稱(chēng)為庫(kù)珀對(duì)的結(jié)構(gòu)，它們的凈動(dòng)量為零。因此，每個(gè)庫(kù)珀對(duì)的動(dòng)量為零，并且每個(gè)庫(kù)珀對(duì)都可以通過(guò)聲子凝聚機(jī)制與其他庫(kù)珀對(duì)相互作用。超導(dǎo)態(tài)的奇妙之處在于，它有一個(gè)自由參數(shù)，就像固體一樣，質(zhì)心也是一個(gè)自由參數(shù)，稱(chēng)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(guò)。只要電流不太大，它就處于超導(dǎo)態(tài)。如果電流過(guò)大，它就會(huì)開(kāi)始表現(xiàn)得像普通金屬一樣，破壞庫(kù)珀對(duì)。

我們?cè)谶@里做的是制造一個(gè)帶有弱連接（勢(shì)壘）的超導(dǎo)體。這里，勢(shì)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(guò)該器件的電流具有一個(gè)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(gè)相位的符號(hào)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(guò)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(gè)良好的超導(dǎo)體。如果流過(guò)該器件的電流過(guò)大，它就會(huì)進(jìn)入正常電壓狀態(tài)，沿著勢(shì)阱向下滾動(dòng) 。這種轉(zhuǎn)變是由越過(guò)或穿過(guò)我們之前描述的勢(shì)壘決定的。當(dāng)電流接近臨界電流時(shí)，勢(shì)壘高度趨于零。當(dāng)電流接近零時(shí)，勢(shì)壘高度會(huì)以3/2次方遞增。據(jù)此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中做的第一件事就是非常清晰地寫(xiě)下其中的物理原理，即上圖的三個(gè)公式。在高溫下的情況，可以從經(jīng)典角度來(lái)看，這只是一個(gè)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(gè)公式（第三個(gè)公式）來(lái)解釋。此外，由于量子噪聲，我們還要考慮第三種情況，即

。我們?cè)疽詾檫@種情況不會(huì)發(fā)生。但關(guān)鍵在于，這三個(gè)公式截然不同。如果我們仔細(xì)測(cè)量參數(shù)，就能區(qū)分它們，并確定其物理本質(zhì)。

如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到量子隧穿？

現(xiàn)在我想簡(jiǎn)單談?wù)劻孔铀泶?。正如記者們?cè)谥Z貝爾獎(jiǎng)之后采訪我時(shí)所說(shuō)，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(gè)神經(jīng)質(zhì)的銀行家。大自然可以借給你一些能量，但過(guò)一小段時(shí)間t后它又想要收回這些能量。這個(gè)能量乘以時(shí)間t等于普朗克常數(shù)，米歇爾說(shuō)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生摩擦，你需要借用更多的能量來(lái)克服它。這就是為什么在量子公式的指數(shù)中，有一個(gè)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(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

這就是這個(gè)實(shí)驗(yàn)。我們第一次做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，完全失敗了，這對(duì)實(shí)驗(yàn)人員來(lái)說(shuō)并不意外。然后我們坐下來(lái)，試圖弄明白到底發(fā)生了什么。我們首先意識(shí)到的一件事是，這是一個(gè)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(lái)自很遠(yuǎn)外部的手機(jī)信號(hào)，它可以通過(guò)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(duì)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(gè)蓋子，確保屏蔽效果良好。此外，我們?cè)谕S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(gè)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(gè)圓筒是進(jìn)一步的濾波器，確保沒(méi)有能量進(jìn)入中心區(qū)域。還有一個(gè)微波連接器，用于注入我們剛才提到的微波。這個(gè)濾波器實(shí)際上是我們研究和仔細(xì)測(cè)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(cè)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(gè)裝置，測(cè)量了變化電流下的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)速率，發(fā)現(xiàn)頻率在這里緩慢變化。我們?cè)谶@里設(shè)定了一個(gè)固定頻率，4.9 GHz。然后，當(dāng)微波驅(qū)動(dòng)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(gè)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(duì)Γ進(jìn)行歸一化，再取對(duì)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(gè)類(lèi)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(kāi)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?cè)趫D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(cè)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(gè)值。

有趣的是，隨著溫度越來(lái)越低，曲線變得越來(lái)越陡峭。在大約25到19毫開(kāi)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(chēng)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(kāi)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(cè)到了量子隧穿效應(yīng) —— 這正是我們最開(kāi)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(duì)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(duì)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(chǎng)，來(lái)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(lái)，系統(tǒng)振蕩的頻率也隨之降低，在幾乎整個(gè)降溫過(guò)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(lái)標(biāo)注，如右圖所示。大家可以看到，空心圓對(duì)應(yīng)的數(shù)值明顯偏低。這一結(jié)果也證明，我們對(duì)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(wèn)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(hào)MQT，就是我們?cè)跍y(cè)量完所有參數(shù)后，計(jì)算得出的理論預(yù)測(cè)值。大家能看到，在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論預(yù)測(cè)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(gè)實(shí)驗(yàn)，直觀看懂能級(jí)量子化

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

問(wèn)題是這樣的，在量子力學(xué)中，能級(jí)量子化最初是通過(guò)普朗克輻射定律（紅外光譜）發(fā)現(xiàn)的。這里假設(shè)能級(jí)是量子化的，彼此之間的距離為?ω。但接下來(lái)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(duì)于新生來(lái)說(shuō)，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(shuō)是所有這些研究的成果），可以直接測(cè)量光子。

這是我在90年代末與Sae Woo Nam合作完成的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。不幸的是，他去年去世了。但這個(gè)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(gè)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(zhǎng)為 1556 納米），我們先將其調(diào)制成短脈沖形式。這樣一來(lái)，光束平均便具有了特定的能量值。隨后，我們對(duì)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(jiǎn)單：當(dāng)微熱量計(jì)吸收了激光的能量后，會(huì)將其轉(zhuǎn)化為熱量，自身溫度隨之上升；之后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，溫度又會(huì)下降，最終恢復(fù)至熱平衡狀態(tài) —— 這完全符合一臺(tái)高靈敏度測(cè)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(hào)。然后溫度隨時(shí)間下降。但如果你仔細(xì)觀察，會(huì)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(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)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(gè)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(tái)高靈敏度探測(cè)器連接的示波器上觀測(cè)到這一現(xiàn)象 —— 這臺(tái)探測(cè)器能夠測(cè)量極其微弱的能量信號(hào)。我希望后人在回顧這個(gè)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(lái)要講的是我們之前提到過(guò)的能級(jí)實(shí)驗(yàn)：在實(shí)驗(yàn)中，我們向系統(tǒng)施加微波信號(hào)；當(dāng)微波以特定方式與系統(tǒng)發(fā)生共振時(shí)，就能觀測(cè)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(jí)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(gè)現(xiàn)象時(shí)，我感到特別興奮。這可以說(shuō)是我研究生生涯中最激動(dòng)人心的時(shí)刻。我們從這個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)人工原子的構(gòu)建。

另外，在此次諾貝爾獎(jiǎng)周的活動(dòng)中，我偶然看到了經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)的宣傳海報(bào)，從中了解到了“組合知識(shí)”這一概念。當(dāng)你擁有這種知識(shí)時(shí)，你就能獲得對(duì)你所觀察事物的非?；A(chǔ)的理解。從技術(shù)角度來(lái)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(shuō)的是，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)噲D從基礎(chǔ)入手，真正理解這個(gè)問(wèn)題。正因如此，在過(guò)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(guò)，我也要補(bǔ)充一點(diǎn)，為了取得這些進(jìn)展，大自然對(duì)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(gè)完美的組合，不是嗎？

在這之后，我們開(kāi)展了一項(xiàng)十分出色的實(shí)驗(yàn)，直接測(cè)量了量子隧穿的時(shí)長(zhǎng)。我們是如何實(shí)現(xiàn)這一測(cè)量的呢？可以用小球的類(lèi)比來(lái)解釋?zhuān)何覀冎谱髁艘粋€(gè)可形變的 “小球”，并通過(guò)調(diào)控讓它具備可調(diào)節(jié)的時(shí)間動(dòng)力學(xué)特性，隨后觀察改變 “小球” 特性時(shí)，隧穿過(guò)程會(huì)發(fā)生怎樣的變化。在本實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)谝欢?strong>低溫平面波導(dǎo)的末端設(shè)置了一個(gè)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(gè)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?cè)O(shè)置了一個(gè)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(zhǎng)度。我們來(lái)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(shì)基本保持平穩(wěn)。但到了低溫區(qū)間，逃逸率或隧穿時(shí)長(zhǎng)會(huì)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(zhǎng)會(huì)相應(yīng)變長(zhǎng)。而當(dāng)進(jìn)入長(zhǎng)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(huì)降至另一個(gè)不同的水平。在短時(shí)與長(zhǎng)時(shí)區(qū)域之間，逃逸率則呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的狀態(tài)。關(guān)鍵現(xiàn)象出現(xiàn)在隧穿時(shí)長(zhǎng)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(huì)向下躍遷至某一能級(jí)，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(gè)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(guò)程。

如何標(biāo)定和制備量子比特？

接下來(lái)，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(kāi)展的一項(xiàng)研究，今天現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(lèi)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(gè)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(jiǎn)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(yè)面上方的對(duì)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(guò)簡(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(tái)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(gè)標(biāo)定完備邏輯門(mén)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(cè)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(duì)超大計(jì)算空間的利用 —這一空間就是物理學(xué)家所說(shuō)的希爾伯特空間，其維度高達(dá)253，對(duì)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(lèi)對(duì)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(tái)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(duì)比來(lái)總結(jié)量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展歷程：1985 年，研究生們開(kāi)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(lèi)量子芯片。整個(gè)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(duì)未來(lái)滿懷憧憬。我曾在論文中闡述了這樣一個(gè)觀點(diǎn)：要在未來(lái) 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(jí)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(kāi)始所說(shuō)，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。可以說(shuō)，這就是我職業(yè)生涯的歷程，理解量子力學(xué)的過(guò)程也讓我感到非常愉快?；仡櫼幌拢覀冇幸粋€(gè)很棒的實(shí)驗(yàn)，它直接展示了光子的能級(jí)量子化，這非常棒。現(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(chēng)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(wú)缺 ，過(guò)程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生誤差 ，但只要你先測(cè)量單個(gè)直觀誤差，再去測(cè)量整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的誤差，就會(huì)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(jué)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(guò)更簡(jiǎn)潔的方式來(lái)理解。

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

文字整理：小鈺