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（圖片來源：SQC）

1981年，偉大的物理家理查德·費曼（Richard Feynman）在MIT與IBM聯(lián)合舉辦的量子物理計算大會上，發(fā)表了一項具有里程碑意義的《用計算機模擬物理學(xué)》報告。

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他在這場報告中拋出重磅：制造出真正具有量子力學(xué)特性的計算機。費曼呼吁科學(xué)家們應(yīng)當(dāng)盡快造出一臺量子計算機，因為經(jīng)典計算機根本無法實現(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)典計算機所無法完成的工作。

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這是量子計算機的概念首次被明確提出的歷史性時刻，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)、開始攻讀物理學(xué)博士學(xué)位的年輕人，從此走上量子計算機研制之路。

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

從約瑟夫森結(jié)到擴展量子比特

在費曼的啟發(fā)下，Martinis決定去做在物理世界實現(xiàn)量子計算機這一充滿吸引力的事。

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1980年代中期，Martinis于加州大學(xué)伯克利分校攻讀博士學(xué)位，師從英國著名物理學(xué)家John Clarke（其在超導(dǎo)量子干涉裝置開發(fā)和應(yīng)用方面做出了重要貢獻）。在整個博士生涯中，Martinis進行了大量的宏觀變量的量子行為研究，專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。

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Martinis的博士論文體現(xiàn)了其這一段時期的研究工作。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)的量子機器是可以在物理世界中實現(xiàn)的。

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1986年，Martinis獲得博士學(xué)位后，前往法國原子能和替代能源委員會開展博士后工作，隨后進入美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所NIST-Boulder實驗室擔(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。

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90 年代John Martinis（右上）與同事在NIST-Boulder實驗室（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

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在NIST-Boulder實驗室，Martinis發(fā)明了基于超導(dǎo)傳感器的微量熱計，用于X射線微量分析和天體物理學(xué)測量；1999年，他開發(fā)出了一種基于計數(shù)電子的電容標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為電容提供了一個自然基礎(chǔ)，類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量。

隨著取得越來越的探索成果，Martinis堅定了要打造出第一臺量子計算機的目標(biāo)。

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2004年，Martinis進入加州大學(xué)圣巴巴拉分校（UCSB）擔(dān)任物理學(xué)教授，并帶領(lǐng)Martinis實驗室小組繼續(xù)與NIST開展超導(dǎo)量子計算機聯(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)器件中實現(xiàn)量子糾纏態(tài)。

關(guān)于這一成果 ，Martinis激動地評價道：“這為利用人工原子進行簡單的邏輯運算打開了大門，這是可能建造超導(dǎo)量子計算機的重要一步?！?/p>

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2010年，Martinis獲得“年度科學(xué)突破”獎?！禨cience》雜志褒獎道，在過去的一年中，Martinis與Andrew Cleland教授設(shè)計出了一臺機械震蕩量子機器，首次證明了機械振蕩器系統(tǒng)中的量子基態(tài)，此舉為引導(dǎo)世界對量子力學(xué)建立新理解奠定了里程碑（1）。

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2013年，Martinis團隊提出了一種新的耦合器，其在理論上的保真度能夠達到4個9，在當(dāng)時實際實驗值中可以達到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。

實現(xiàn)量子霸權(quán)的男人

2014年，Martinis率領(lǐng)其實驗室小組加入谷歌的量子人工智能實驗室(QuAIL)，擔(dān)任谷歌量子硬件領(lǐng)導(dǎo)者，帶領(lǐng)團隊開展量子計算機研制。由此，開啟了他在量子計算領(lǐng)域的輝煌時期。

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作為科技前沿公司，谷歌早在21世紀(jì)初就已經(jīng)顯露出對量子計算新技術(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的量子計算機上押下了重要賭注。

就在2014年6月，谷歌在花費1500萬美元的D-Wave2——全球第一臺量子計算機上進行了運算測試，盡管谷歌并未公布測試結(jié)果，同月，谷歌宣布Martinis加入并公布了其量子計算路線圖。

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對于D-Wave實現(xiàn)全球第一臺量子計算機的說法，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的機器實際上并不比經(jīng)典計算機的速度快。

在評判對手的同時，Martinis對其Martinis量子團隊充滿信心。據(jù)一些外國媒體報道，早在正式加入谷歌之前，Martinis就已與谷歌進入了“曖昧期”，并最終說服Google將在未來為其打造一個比量子退火機更強大的替代品。

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John Martinis（右）和他的谷歌量子團隊（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

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進入谷歌后，Martinis帶領(lǐng)帶領(lǐng)實驗室團隊主要研究三個領(lǐng)域：通用型量子計算機、連續(xù)性模擬器、量子退火量子計算。

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2015年3月，Martinis的團隊首次論證了位于通用量子計算機所需的可靠閾值之上的量子比特。他們通過在9個量子比特的芯片運行surface code的錯誤檢驗程序，展示了通過提升量子比特穩(wěn)定性，擴展量子比特成為可能。

這一年，Martinis堅信要在未來兩年內(nèi)推出谷歌的新量子退火系統(tǒng)的同時，展示一臺擁有約100個量子比特的完整通用量子計算機。

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四年后，Martinis谷歌團隊在《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谷歌團隊首次在實驗中證明了量子計算機相較于傳統(tǒng)架構(gòu)計算機的絕對性優(yōu)勢：當(dāng)時世界最快超級計算機Summit需要運算1萬年的任務(wù)，新量子計算機只需要200秒。

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（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

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他們把這個實現(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、集成和擴展）的二維陣列組成，每個比特與周圍的4個比特相耦合。

整個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)行隨機電路的采樣任務(wù)，從而獲得百萬個近似末態(tài)的比特串采樣。

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然而，消息傳出后不久，IBM等對手立刻找來證據(jù)反駁Google的量子霸權(quán)。他們認為，谷歌的量子計算機僅是成功地解決了一項“特殊”的任務(wù)，并且如果用他們的超級計算機也只是需要2.5天即可完成，而不是1萬年（2）。

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自此，盡管Martinis頻繁為懸鈴木成果“站臺”，但其仍在業(yè)內(nèi)飽受紛爭。毋庸質(zhì)疑的是，Martinis在2019年成為實現(xiàn)量子霸權(quán)的男人，為量子計算領(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)帶來了大量的信心，量子計算機的制備也進入了高速發(fā)展時期。

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

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2020年，Martinis出走谷歌。從其之后接受媒體的采訪中可以看到，自實現(xiàn)量子霸權(quán)后谷歌以及其量子團隊隨之承受了巨大的壓力和強烈關(guān)注，一面是攀登下一座高峰——開發(fā)出實現(xiàn)容錯的、有用的百萬量子比特量子計算機；另一面是完善懸鈴木處理器的漫長之路，Martinis與Hartmut Neven意見相左，并最終選擇另尋新天地。

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同年9月，Martinis宣布加入澳大利亞量子計算初創(chuàng)公司Silicon Quantum Computing (SQC) ，正式開展硅量子計算機研究。在消息公布后，Martinis深情地講道：“建造一臺真正的量子計算機是我畢生的追求，如果能成功達成，這將是人類史上巨大影響的變革性成就?！?/p>

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（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

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根據(jù)Martinis的說法，即使對于SQC的技術(shù)路線方法并不是特別熟知，但他仍然非常看好其硅量子計算機：“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——它可以逐個原子地制造其設(shè)備。我覺得很干凈?！?/p>

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SQC成立于2017年，由Michelle Simmons教授領(lǐng)導(dǎo)。該團隊開創(chuàng)了一種新的方法——硅量子比特構(gòu)建技術(shù)。2018 年，Simmons團隊創(chuàng)建出了首個硅中雙原子量子比特門，操作在0.8納秒內(nèi)完成，較當(dāng)時其他基于自旋的雙量子比特門快200倍，由此樹立了構(gòu)建原子級量子計算機的一個重要里程碑（3）。

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

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進入2022年，Martinis即將度過人生的第64周年，業(yè)內(nèi)依舊在期待他能帶來更多消息。

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