2025诺奖得主马丁尼斯：量子计算机的未来，藏于硬件工业革命

本文来自微信公众号：世界科学，作者：编译哔普星人，原文标题：《2025 诺奖得主马丁尼斯：量子计算机的未来，藏在硬件工业革命里…》

约翰·马丁尼斯(John M.Martinis)是诺奖学者，亦是实验狂人、硬件专家。

相较于教科书里的理想化世界，他更青睐物理实验室中的实质问题与关键细节。其实验突破、理论洞见及工程硕果，构成了量子计算史上最壮阔的篇章。量子计算领域的两大重要时刻均由马丁尼斯主导缔造。

故事始于20世纪80年代。当时马丁尼斯在加州大学伯克利分校攻读研究生，学界已明确亚原子粒子受量子效应影响，但疑惑量子力学世界能否扩展至更宏观尺度。马丁尼斯与同事开展一系列实验，探索量子效应边界——这些工作后来助力他斩获2025年诺贝尔物理学奖。

他们构建并研究由超导体和绝缘体混合制成的电路，结果显示电路中众多带电粒子表现如同统一量子粒子，即量子宏观效应(macroscopic quantumness)，为行业建造最强量子计算机奠定基础，如今IBM和谷歌开发的量子系统均以此为根基。

可以说，马丁尼斯的工作推动了科技巨头采用超导电路制造量子比特的趋势，超导量子比特现已成为全球应用最广泛的量子比特。

马丁尼斯给行业带来的第二次震撼，是他领衔谷歌研究团队打造首台实现“量子霸权”的量子计算机：2019年问世的超导量子处理器Sycamore，近五年内都是全球唯一能验证随机量子电路输出的计算机，后其纪录被经典计算机超越。

如今年近七旬的马丁尼斯相信超导量子比特有望再创历史。2024年，他联合创立量子计算公司QoLab，据称该公司将以全新方式力求实现全行业梦寐以求的目标：真正实用的量子计算机。

近期，马丁尼斯教授接受《新科学家》（New scientist）杂志专访，以直击技术难点、深入本质细节、切入应用关节的硬核方式，分享对量子计算机世界的洞见。

Q：您职业生涯早期因基础性研究成果广受关注，何时意识到自己的实验可能催生新技术？

A：

当时存在疑问：宏观变量可否不遵循量子力学规律？或许年长学者默认量子力学必然适用，但对年轻学生、刚接触量子力学的我而言，探寻答案的过程是美妙的实验旅程，是对量子力学根基的基础验证。

我们先利用已有技术搭建简陋快捷的实验装置，采集数据阶段实验彻底失败，好在试错过程快。我们意识到要做好实验，必须掌握微波工程知识，理解噪声问题，攻克诸多技术环节。解决一系列问题后，成功很快到来。

以这项成功实验为基础，此后十年我们持续改进优化并开发量子设备。同时量子计算理论取得长足进步，肖尔算法(用于分解大数破解密码)和纠错算法尤为关键，整个领域地基坚实，研究者得以构想创建实际装置，相关资金也开始涌入。

Q：资金支持显著影响该领域研究工作及技术发展进程，对吗？

A：

20世纪80年代，行业尚未验证单个量子系统能否被准确操控与测量。过去四十年发展天翻地覆，如今量子计算已是广阔天地！最令人感叹的是，现在有众多物理学家致力于理解超导系统的量子力学原理，尝试构建量子计算机。

Q：您亲历量子计算发展最初阶段，这段经历是否影响您对领域现状的认识和未来展望？

A：

作为全程亲历的老人，我清楚量子计算的物理学根基。在加州大学圣塔芭芭拉分校团队时，我研制首批用于量子设备的微波电子系统；加入谷歌后，又自主建造制冷装置为超导量子计算机提供极低运行温度，可说参与过每个组件的开发。

许多未亲身参与的人可能乐观视一切进展为技术必然，而我知晓阻碍进展的问题所在。

归根结底，构建量子计算系统是系统工程，我在这方面的优势是对每个环节的物理原理有深刻理解。

用于保持量子计算机低温状态的低温恒温器

Q：您认为量子计算硬件需经历怎样变革才能真正应用？哪些技术变化将成为下一次突破的开端？

A：

离开谷歌后，我从整体系统视角重新思考量子计算机及需构建改进的基础要素。

QoLab公司基于新理念、新方法创立，团队在量子比特制造工艺上有重大突破，整合各部、搭建系统的方法(尤其是布线方面)亦有革新。

大家意识到要实现稳定可靠且低成本的量子计算机技术，开发者必须颠覆传统思维方式，这很难且难以被理解。我们遭遇超乎预想的质疑和阻力，但以数十年物理研究经验看，这恰恰意味着思路值得尝试。

Q：常听到打造真正实用、无误差的量子计算机需数百万个量子比特，如何实现这一目标？

A：

制造方法——尤其是量子芯片制造工艺——是最关键也最困难的部分。

看巨头企业，谷歌、IBM、亚马逊等现阶段还用着可能来自20世纪五六十年代的制造技术，我不认为当前其他行业会用如此老派的方法构建电路。我们的观点是：要打造百万量子比特系统，就别走寻常路。

见过超导量子计算机造型便知，那是由大量线路和微波元件构成的“丛林”，布线始终是超导量子比特领域的核心难点。我们希望解决布线问题，从根本改变设备制造方式，正努力开发摆脱一切连线的芯片架构，想把所有要素塞进芯片，同时扩大芯片规模。

Q：您认为5年内会有赢家从实用量子计算机竞赛中脱颖而出吗？

A：

行业正尝试多种方式创建量子计算机，鉴于系统工程层面制约严苛，多元化探索路径是好事，乐见不同路线获资金支持，带来更大创新可能。

但不得不说，面对复杂限制和真正困难，如成本控制或规模化生产设备等问题，现有许多项目略显“稚嫩”。另一方面，我相信许多研究团队有解决难题的思路，只是尚未公开。

在我看来，QoLab的商业计划不同甚至独特，理念是积极开放协作、汇聚各方智慧，目前正与懂规模化、掌握尖端制造技术的硬件公司合作。

Q：若此刻有人给您一台规模巨大且无误差的量子计算机，最想尝试解决什么问题？

A：

我真正感兴趣的是用量子计算机解决量子化学和量子材料领域的问题。

最近有论文探讨用量子计算机辅助核磁共振实验提取更多有用信息，我很喜欢这样的应用尝试。化学与材料的量子问题难通过经典超级计算机处理，但能在量子计算机上得到本质解决——毕竟是将量子问题映射到量子计算系统的过程。

很多人考虑将量子计算机用于优化问题或量子人工智能，不过在我看来，那些尝试更像“试试深浅看看效果”的探索。而支撑材料和化学应用的理论确定性较高，我们知道需要多大规模的量子计算机，也清楚现有技术能做出规模够大、运行速度够快的机器。

Q：量子计算机的某些潜在用途30多年前已通过数学方法确定，为何至今仍未成为现实？

A：

若将量子比特特性抽象简化，计算机科学家、数学家和理论物理学家都可参与“如何构建量子计算机”的讨论。

但真实世界的物理难题无法简化，真实量子比特存在噪声源，如外部导线产生的热量或量子比特材料本身的杂质。许多大型量子计算项目由理论派学者主导，这本身没问题，但实际系统复杂，为系统打造合适硬件的工作也很复杂。

我曾跟随研究生导师约翰·克拉克(John Clarke，2025年诺贝尔物理学奖得主)学习，对噪声问题有深入认识。这种训练背景对我和合作者非常宝贵，使我们能以“物理”视角思考量子比特，力求消除导致芯片不可靠的物理噪声机制。

以量子霸权实验为例：设备中存在“二能级态”(two-level states)这类噪声源，为规避噪声需开展特殊操作；虽最终可达成目标，但过程异常棘手，难以扩展规模。

我期待通过现有技术减小甚至消除此类麻烦，这要求对量子比特设计细节深入理解，我们必须兼具硬件基础和应用创意。

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