谷歌量子霸權(quán)締造者、加州大學(xué)圣芭芭拉分校教授

John Martinis（圖片來(lái)源：SQC）

1981年，偉大的物理家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）在MIT與IBM聯(lián)合舉辦的量子物理計(jì)算大會(huì)上，發(fā)表了一項(xiàng)具有里程碑意義的《用計(jì)算機(jī)模擬物理學(xué)》報(bào)告。

他在這場(chǎng)報(bào)告中拋出重磅：制造出真正具有量子力學(xué)特性的計(jì)算機(jī)。費(fèi)曼呼吁科學(xué)家們應(yīng)當(dāng)盡快造出一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)榻?jīng)典計(jì)算機(jī)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全模擬量子系統(tǒng)的演化，必須采用量子系統(tǒng)，它將完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)所無(wú)法完成的工作。

這是量子計(jì)算機(jī)的概念首次被明確提出的歷史性時(shí)刻，一大批科研學(xué)者們深受鼓舞。其中，一位剛從加州大學(xué)伯克利分校畢業(yè)、開(kāi)始攻讀物理學(xué)博士學(xué)位的年輕人，從此走上量子計(jì)算機(jī)研制之路。

這位年輕人就是John Martinis。如今Martinis已是量子計(jì)算領(lǐng)域的先驅(qū)人物，可以說(shuō)，Martinis的量子計(jì)算機(jī)研究史，正是一部超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展史。

從約瑟夫森結(jié)到擴(kuò)展量子比特

在費(fèi)曼的啟發(fā)下，Martinis決定去做在物理世界實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)這一充滿(mǎn)吸引力的事。

1980年代中期，Martinis于加州大學(xué)伯克利分校攻讀博士學(xué)位，師從英國(guó)著名物理學(xué)家John Clarke（其在超導(dǎo)量子干涉裝置開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面做出了重要貢獻(xiàn)）。在整個(gè)博士生涯中，Martinis進(jìn)行了大量的宏觀變量的量子行為研究，專(zhuān)注于研究約瑟夫森結(jié)的相位差，并產(chǎn)出了豐碩的研究成果。

Martinis的博士論文體現(xiàn)了其這一段時(shí)期的研究工作。在《Macroscopic qauntum tunneling and energy-level quantization in the zero voltage state of the current-biased tosephson junction》（電流偏置的約瑟夫森結(jié)在零電壓狀態(tài)下的宏觀量子隧穿和能級(jí)量化）中，Martinis創(chuàng)造性地演示了超導(dǎo)體中量子比特的狀態(tài)，再次有力地證明了符合量子力學(xué)的量子機(jī)器是可以在物理世界中實(shí)現(xiàn)的。

1986年，Martinis獲得博士學(xué)位后，前往法國(guó)原子能和替代能源委員會(huì)開(kāi)展博士后工作，隨后進(jìn)入美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所NIST-Boulder實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任研究員，從事超導(dǎo)量子干涉裝置(SQUID)放大器的研究工作。

90 年代John Martinis（右上）與同事在NIST-Boulder實(shí)驗(yàn)室（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

在NIST-Boulder實(shí)驗(yàn)室，Martinis發(fā)明了基于超導(dǎo)傳感器的微量熱計(jì)，用于X射線微量分析和天體物理學(xué)測(cè)量；1999年，他開(kāi)發(fā)出了一種基于計(jì)數(shù)電子的電容標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為電容提供了一個(gè)自然基礎(chǔ)，類(lèi)似于電壓的約瑟夫森效應(yīng)和電阻的量子霍爾效應(yīng)；2002年，Martinis首次展示了相干拉比振蕩(Coherent Rabi oscillations)和基于這種超導(dǎo)相位量子比特的量子測(cè)量。

隨著取得越來(lái)越的探索成果，Martinis堅(jiān)定了要打造出第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的目標(biāo)。

2004年，Martinis進(jìn)入加州大學(xué)圣巴巴拉分校（UCSB）擔(dān)任物理學(xué)教授，并帶領(lǐng)Martinis實(shí)驗(yàn)室小組繼續(xù)與NIST開(kāi)展超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)聯(lián)合研究。第二年，他們研究成果登錄在《Science》（科學(xué)）雜志，成功展示了在新的誘導(dǎo)器件中實(shí)現(xiàn)量子糾纏態(tài)。

關(guān)于這一成果 ，Martinis激動(dòng)地評(píng)價(jià)道：“這為利用人工原子進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算打開(kāi)了大門(mén)，這是可能建造超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的重要一步?！?/p>

2010年，Martinis獲得“年度科學(xué)突破”獎(jiǎng)。《Science》雜志褒獎(jiǎng)道，在過(guò)去的一年中，Martinis與Andrew Cleland教授設(shè)計(jì)出了一臺(tái)機(jī)械震蕩量子機(jī)器，首次證明了機(jī)械振蕩器系統(tǒng)中的量子基態(tài)，此舉為引導(dǎo)世界對(duì)量子力學(xué)建立新理解奠定了里程碑（1）。

2013年，Martinis團(tuán)隊(duì)提出了一種新的耦合器，其在理論上的保真度能夠達(dá)到4個(gè)9，在當(dāng)時(shí)實(shí)際實(shí)驗(yàn)值中可以達(dá)到99.45%。2014年，Martinis憑借在低溫物理領(lǐng)域的研究工作獲得倫敦獎(jiǎng)。

John Martinis（右）和Andrew Cleland, Aaron O’Connell （圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的男人

2014年，Martinis率領(lǐng)其實(shí)驗(yàn)室小組加入谷歌的量子人工智能實(shí)驗(yàn)室(QuAIL)，擔(dān)任谷歌量子硬件領(lǐng)導(dǎo)者，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展量子計(jì)算機(jī)研制。由此，開(kāi)啟了他在量子計(jì)算領(lǐng)域的輝煌時(shí)期。

作為科技前沿公司，谷歌早在21世紀(jì)初就已經(jīng)顯露出對(duì)量子計(jì)算新技術(shù)的興趣。在量子硬件方面，谷歌起初選擇與加拿大量子硬件公司D-Wave合作，甚至在D-Wave的量子計(jì)算機(jī)上押下了重要賭注。

就在2014年6月，谷歌在花費(fèi)1500萬(wàn)美元的D-Wave2——全球第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了運(yùn)算測(cè)試，盡管谷歌并未公布測(cè)試結(jié)果，同月，谷歌宣布Martinis加入并公布了其量子計(jì)算路線圖。

對(duì)于D-Wave實(shí)現(xiàn)全球第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的說(shuō)法，Martinis是質(zhì)疑者之一。他在《Science》雜志上發(fā)表了一篇論文，論證D-Wave的機(jī)器實(shí)際上并不比經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度快。

在評(píng)判對(duì)手的同時(shí)，Martinis對(duì)其Martinis量子團(tuán)隊(duì)充滿(mǎn)信心。據(jù)一些外國(guó)媒體報(bào)道，早在正式加入谷歌之前，Martinis就已與谷歌進(jìn)入了“曖昧期”，并最終說(shuō)服Google將在未來(lái)為其打造一個(gè)比量子退火機(jī)更強(qiáng)大的替代品。

John Martinis（右）和他的谷歌量子團(tuán)隊(duì)（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

進(jìn)入谷歌后，Martinis帶領(lǐng)帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)主要研究三個(gè)領(lǐng)域：通用型量子計(jì)算機(jī)、連續(xù)性模擬器、量子退火量子計(jì)算。

2015年3月，Martinis的團(tuán)隊(duì)首次論證了位于通用量子計(jì)算機(jī)所需的可靠閾值之上的量子比特。他們通過(guò)在9個(gè)量子比特的芯片運(yùn)行surface code的錯(cuò)誤檢驗(yàn)程序，展示了通過(guò)提升量子比特穩(wěn)定性，擴(kuò)展量子比特成為可能。

這一年，Martinis堅(jiān)信要在未來(lái)兩年內(nèi)推出谷歌的新量子退火系統(tǒng)的同時(shí)，展示一臺(tái)擁有約100個(gè)量子比特的完整通用量子計(jì)算機(jī)。

四年后，Martinis谷歌團(tuán)隊(duì)在《Nature》（自然）雜志上正式發(fā)表《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》（使用可編程超導(dǎo)處理器的量子霸權(quán)），宣布谷歌取得量子霸權(quán)。

Martinis谷歌團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中證明了量子計(jì)算機(jī)相較于傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)的絕對(duì)性?xún)?yōu)勢(shì)：當(dāng)時(shí)世界最快超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit需要運(yùn)算1萬(wàn)年的任務(wù)，新量子計(jì)算機(jī)只需要200秒。

（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

他們把這個(gè)實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的量子處理器命名為“Sycamore”（懸鈴木），它是由54個(gè)transmon量子比特（能夠有效壓制電荷噪聲并且易于制備、集成和擴(kuò)展）的二維陣列組成，每個(gè)比特與周?chē)?個(gè)比特相耦合。

整個(gè)處理器的外觀和普通的CPU芯片非常相似并由鋁制造。懸鈴木可執(zhí)行20循環(huán)幺正操作，并能夠在200 秒內(nèi)執(zhí)行隨機(jī)電路的采樣任務(wù)，從而獲得百萬(wàn)個(gè)近似末態(tài)的比特串采樣。

然而，消息傳出后不久，IBM等對(duì)手立刻找來(lái)證據(jù)反駁Google的量子霸權(quán)。他們認(rèn)為，谷歌的量子計(jì)算機(jī)僅是成功地解決了一項(xiàng)“特殊”的任務(wù)，并且如果用他們的超級(jí)計(jì)算機(jī)也只是需要2.5天即可完成，而不是1萬(wàn)年（2）。

自此，盡管Martinis頻繁為懸鈴木成果“站臺(tái)”，但其仍在業(yè)內(nèi)飽受紛爭(zhēng)。毋庸質(zhì)疑的是，Martinis在2019年成為實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的男人，為量子計(jì)算領(lǐng)域立下了一重要里程碑。

廉頗老矣，尚能飯否？

懸鈴木的出現(xiàn)給行業(yè)帶來(lái)了大量的信心，量子計(jì)算機(jī)的制備也進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期。

盡管它給谷歌帶來(lái)了更多的困擾。相比于對(duì)谷歌實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)弊端增加的質(zhì)疑還要可怕的是，谷歌量子團(tuán)隊(duì)內(nèi)部在下一步的方向上爭(zhēng)論不休甚至爆發(fā)了沖突。

2020年，Martinis出走谷歌。從其之后接受媒體的采訪中可以看到，自實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)后谷歌以及其量子團(tuán)隊(duì)隨之承受了巨大的壓力和強(qiáng)烈關(guān)注，一面是攀登下一座高峰——開(kāi)發(fā)出實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的、有用的百萬(wàn)量子比特量子計(jì)算機(jī)；另一面是完善懸鈴木處理器的漫長(zhǎng)之路，Martinis與Hartmut Neven意見(jiàn)相左，并最終選擇另尋新天地。

同年9月，Martinis宣布加入澳大利亞量子計(jì)算初創(chuàng)公司Silicon Quantum Computing (SQC) ，正式開(kāi)展硅量子計(jì)算機(jī)研究。在消息公布后，Martinis深情地講道：“建造一臺(tái)真正的量子計(jì)算機(jī)是我畢生的追求，如果能成功達(dá)成，這將是人類(lèi)史上巨大影響的變革性成就。”

（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

根據(jù)Martinis的說(shuō)法，即使對(duì)于SQC的技術(shù)路線方法并不是特別熟知，但他仍然非?？春闷涔枇孔佑?jì)算機(jī)：“硅的物理和制造非常復(fù)雜且非常有趣。如果使用得當(dāng)，復(fù)雜性很好。這是我喜歡 Michelle Simmons小組的原因之一——它可以逐個(gè)原子地制造其設(shè)備。我覺(jué)得很干凈?！?/p>

SQC成立于2017年，由Michelle Simmons教授領(lǐng)導(dǎo)。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)了一種新的方法——硅量子比特構(gòu)建技術(shù)。2018 年，Simmons團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建出了首個(gè)硅中雙原子量子比特門(mén)，操作在0.8納秒內(nèi)完成，較當(dāng)時(shí)其他基于自旋的雙量子比特門(mén)快200倍，由此樹(shù)立了構(gòu)建原子級(jí)量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要里程碑（3）。

2021年，Martinis榮獲第七屆兩年一度的貝爾獎(jiǎng)(John Stewart Bell Prize) 以表彰其研究量子力學(xué)及其應(yīng)用的基本問(wèn)題。該獎(jiǎng)項(xiàng)是基礎(chǔ)量子力學(xué)及其應(yīng)用領(lǐng)域中最負(fù)盛名的獎(jiǎng)項(xiàng)之一，這也再次大大肯定了Martinis在超導(dǎo)量子位的設(shè)計(jì)和控制方面的重大工程成就和創(chuàng)新。

進(jìn)入2022年，Martinis即將度過(guò)人生的第64周年，業(yè)內(nèi)依舊在期待他能帶來(lái)更多消息。

參考：

1、https://www.independent.com/2011/01/18/research-by-ucsb-physicists-honored-sciences-2010-breakthrough-year/

2、https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/

3、https://www.cas.cn/kj/201907/t20190723_4700720.shtml

編譯：王衍/李每

編輯：王衍