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約翰·馬丁尼斯(John M. Martinis)是諾獎學者，也是實驗狂人、硬件專家。

相比教科書里的理想化世界，他更偏愛物理實驗室中的實質(zhì)問題和關鍵細節(jié)。而他的實驗突破、理論洞見和工程碩果，組成了量子計算歷史中最壯闊的幾個篇章。量子計算領域的兩大至要時刻都由馬丁尼斯主導締造。

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

他們構建并研究了由超導體和絕緣體混合制成的電路。結果表明，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(macroscopic quantumness)，為行業(yè)建造最強量子計算機奠定了基礎，眼下IBM和谷歌開發(fā)的量子系統(tǒng)都以宏觀量子效應為根基。

可以認為，馬丁尼斯的工作推動了科技巨頭采用超導電路制造量子比特的趨勢。超導量子比特如今已成為全球應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銜谷歌研究團隊打造首臺實現(xiàn)“量子霸權”的量子計算機：2019年問世的超導量子處理器Sycamore，在近五年時間內(nèi)都是全球唯一能驗證隨機量子電路輸出的計算機。后來它的紀錄被經(jīng)典計算機超越。

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

近期，馬丁尼斯教授接受《新科學家》（

New scientist

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

A：

當時存在一種疑問：宏觀變量可否不遵循量子力學規(guī)律？或許年長些的學者默認量子力學必然適用，但對于仍是年輕學生、剛接觸量子力學的我來說，探尋問題答案的過程將會是一場極為美妙的實驗旅程，是對量子力學根基的一次基礎驗證。

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

以這項成功的實驗為基礎，我們在此后十年間持續(xù)做改進和優(yōu)化，并開發(fā)量子設備。另一方面，量子計算理論取得長足進步，其中肖爾算法(用于分解大數(shù)破解密碼)尤為關鍵，糾錯算法也很重要。由此，整個領域的地基足夠堅實了，研究者終于能構想如何創(chuàng)建實際裝置了。與此同時，相關資金開始涌入。

Q：資金支持顯著影響了這一領域的研究工作乃至技術的發(fā)展進程，對嗎？

A：

在1980年代，行業(yè)都還未驗證單個量子系統(tǒng)能否被準確操控與測量。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)在有這么多物理學家致力于理解超導系統(tǒng)的量子力學原理，嘗試構建量子計算機。

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

A：

作為全程親歷領域發(fā)展的老人，我清楚量子計算的物理學根基。在加州大學圣塔芭芭拉分校團隊時，我研制了首批用于量子設備的微波電子系統(tǒng)；加入谷歌后，我又自主建造制冷裝置，用以為超導量子計算機提供極低的運行溫度?？梢哉f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展視作技術必然，而我知曉各種阻礙進展的問題所在。

歸根結底，構建量子計算系統(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。

用于保持量子計算機低溫狀態(tài)的低溫恒溫器

Q：您認為，量子計算硬件需經(jīng)歷怎樣地變革才能真正被應用？哪些技術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算機，以及我們需要構建和改進的所有基礎要素。

QoLab公司正基于新理念、新方法而創(chuàng)立。我們團隊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，要想實現(xiàn)穩(wěn)定可靠且低成本的量子計算機技術，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。我們遭遇了超乎預想的質(zhì)疑和阻力，不過以我數(shù)十年物理研究的經(jīng)驗來看，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：要打造真正實用、無誤差的量子計算機，可能需要數(shù)百萬個量子比特。如何實現(xiàn)這一目標？

A：

制造方法——尤其是量子芯片的制造工藝——是最關鍵也最困難的部分。

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世紀五六十年代的制造技術。我不認為當前還有任何其他行業(yè)會用如此老派的方法構建電路。我們的觀點是：既然你想打造百萬量子比特的系統(tǒng)，那就別走尋常路。

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

Q：您認為在5年內(nèi)，會有贏家從這場圍繞實用量子計算機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)建量子計算機。鑒于系統(tǒng)工程層面的制約極為嚴苛，我認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)設備等方面的問題，現(xiàn)有許多項目的確略顯……姑且稱之為“稚嫩”吧。另一方面，我相信許多研究團隊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)計劃有所不同，甚至可能相當獨特。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現(xiàn)規(guī)模化、掌握尖端制造技術的硬件公司合作。

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算機，您最想嘗試解決什么問題？

A：

我真正感興趣的是用量子計算機解決量子化學和量子材料領域的問題。

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

很多人會考慮將量子計算機用于優(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。而支撐材料和化學應用的理論具有較高確定性。我們知道需要多大規(guī)模的量子計算機，也清楚以現(xiàn)有技術能做出規(guī)模夠大、運行速度夠快的機器。

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

A：

如果將量子比特的特性抽象、簡化，計算機科學家、數(shù)學家和理論物理學家都可以參與“如何構建量子計算機”的討論。

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

我曾跟隨我的研究生導師約翰·克拉克(John Clarke，也是2025年諾貝爾物理學獎得主)學習，對噪聲問題有深入認識。這種訓練背景對我和我的合作者來說非常寶貴，使我們能以非?！拔锢怼钡囊暯撬伎剂孔颖忍兀η笙龑е滦酒豢煽康奈锢碓肼暀C制。

以量子霸權實驗為例：設備中存在“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；雖然最終可以達成目標，但過程異常棘手，難以擴展規(guī)模。

我期待通過現(xiàn)有技術減小甚至消除此類麻煩，而這要求對量子比特設計細節(jié)方面深入理解。我們必須兼具硬件基礎和應用創(chuàng)意。

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