諾獎得主Martinis：下一次量子計算飛躍或將在5-10年內出現

12月6日至12日，14位諾貝爾獎獲獎者齊聚斯德哥爾摩，參與為期一周的2025年諾貝爾頒獎周活動。獲獎者涵蓋生理學或醫學獎、物理學獎、化學獎及經濟學獎等多個領域。繼今年10月受邀參加諾貝爾獎新聞發布會后，墨子沙龍再次榮幸獲邀參與本屆諾獎周活動。在卡洛琳斯卡醫學院和瑞典皇家科學院，墨子沙龍現場參加了諾貝爾獎得主記者見面會，聆聽了獲獎者們的學術報告，并將陸續與讀者分享現場的精彩內容。

今日分享的是2025年諾貝爾物理學獎得主約翰·馬丁尼斯（John Martinis）的獲獎報告。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位；兩年后，米歇爾·德沃雷（Michel Devoret）也以博士后身份加入該團隊。1985年，他們共同“發現了宏觀量子隧穿效應與電路中的能量量子化現象”。2019年，馬丁尼斯與谷歌團隊合作，在全球首次利用超導量子計算系統實現了“量子優越性”。2025年，他憑借相關貢獻榮獲諾貝爾物理學獎。

在本次報告中，馬丁尼斯回顧了自己從博士生到谷歌首席科學家，再到諾貝爾獎得主的科研歷程，并大膽預言：量子計算領域的下一次飛躍，即將在不久的將來實現。

我很榮幸今天能在這里和大家交流。當我還是研究生的時候，我加入了約翰·克拉克（John Clarke）實驗室，因為他當時正在進行一些非常有趣的實驗，研究電路中的量子噪聲現象。這恰好結合了我的個人興趣——我對電子學很感興趣，同時作為一名研究生，我對量子力學非常著迷，并且渴望通過實驗來更好地理解它。

今天，我很榮幸能為大家介紹我們的合作項目 —— 該項目最終成為了我在加州大學伯克利分校的畢業論文。接下來，我還會簡要分享這項研究的后續發展方向，以及它在我職業生涯中衍生出的其他一些優秀實驗案例。我想說，在我的職業生涯中，我非常榮幸能夠專注于物理儀器的研發，制造各種形式的量子器件。數年前我前往劍橋大學深造后悟到一點，如果你追溯我的科學傳承，從約翰·克拉克到劍橋大學，你會發現我的導師們都非常出色，他們研發出了卓越的儀器，并且從這些自研儀器中探索出了大量物理新發現。此外，在加州大學伯克利分校，歐內斯特·勞倫斯（Ernest Lawrence）建造了回旋加速器以及伯克利的其他加速器，這激發了我對探索這類科學儀器的興趣，也促成了許多有趣的事情。

宏觀物體是否遵循量子力學規律？

前面的講座已經探討過遵循量子力學規律的宏觀變量。在此，我想談談個人觀點：物理學家對量子力學之所以會產生某種不適感，實際上源于量子力學本身包含的兩個核心命題。一個是關于量子力學的波動性，由薛定諤波動方程描述，以及能級等等。另一個是關于對量子態的觀測和測量。很多物理學家都覺得這個命題太多了，應該只有一個。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。實驗中，一個原子發生微觀層面的衰變，而這一衰變事件會決定盒內的貓的生死 —— 原子衰變則貓死亡，未衰變則貓存活。在打開盒子進行觀測和測量之前，悖論的核心問題便隨之產生：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？

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：量子力學的規律或許決定了宏觀物體無法處于量子疊加態。要驗證這一猜想，我們就必須尋找相應的實驗證據。此外，他還針對性地提出了電路實驗方案。萊格特教授的有一項研究非常精彩。他指出，這與證明微觀量子力學規律可在宏觀尺度上被觀測到的情況并非同一概念。晶體就是一個很好的例子，晶體中的原子由于微觀物理的相互作用而彼此連接，并因此以規則的方式堆疊。如果生長得當，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的方式堆疊的宏觀特性。這是一種非常神奇的現象，以至于在我的家鄉加利福尼亞州，人們認為這種晶體具有神奇的療愈力量。這真是一個令人驚嘆的現象。超導現象中也存在類似的情形：超導體內部的粒子會在相位上實現協同排布，由此便能產生長程超導相干性。

我們目前開展的研究，則看起來截然不同。我們的核心問題是：宏觀物體是否遵循量子力學規律？例如，把球扔向墻壁是否存在極短的一段時間內，這個球能夠隧穿穿過墻面？對于真實的球體而言，這種情況是否可能發生？但如果我們設計出恰當的電路，就能夠通過實驗驗證這一點。為了確保我們真正理解，我們來討論一下宏觀變量。一個很好的例子是某種材料在高溫下的氣體，所有物質都從表面脫離，原子四處飛散。顯然，這是一個非常復雜的狀態，難以描述。如果溫度低于凝固溫度，它就會形成固體，甚至可能是晶體，現在，如果你想描述這個系統的狀態，你只需要描述質心即可。這比描述氣體時物理現象要簡單得多。

金屬中的電子也是如此。有一些統計數據需要考慮，但你可以把它想象成電子氣體。當冷卻時，會發現沿一個方向流動的電子和沿相反方向流動的電子會形成稱為庫珀對的結構，它們的凈動量為零。因此，每個庫珀對的動量為零，并且每個庫珀對都可以通過聲子凝聚機制與其他庫珀對相互作用。超導態的奇妙之處在于，它有一個自由參數，就像固體一樣，質心也是一個自由參數，稱為相位。如果相位隨距離發生變化，就相當于導線中有電流流過。只要電流不太大，它就處于超導態。如果電流過大，它就會開始表現得像普通金屬一樣，破壞庫珀對。

我們在這里做的是制造一個帶有弱連接（勢壘）的超導體。這里，勢壘是非常薄的氧化鋁。然后，根據約瑟夫森效應（Josephson effect），流過該器件的電流具有一個最大值，即臨界電流，我們可以將其在我們的器件中調節到幾微安的精度，帶有一個相位的符號差別。直到這里，一切仍然遵循經典理論。正如我們之前討論過的，我們感興趣的是零電壓狀態，此時器件表現得像一個良好的超導體。如果流過該器件的電流過大，它就會進入正常電壓狀態，沿著勢阱向下滾動 。這種轉變是由越過或穿過我們之前描述的勢壘決定的。當電流接近臨界電流時，勢壘高度趨于零。當電流接近零時，勢壘高度會以3/2次方遞增。據此，我們在實驗中做的第一件事就是非常清晰地寫下其中的物理原理，即上圖的三個公式。在高溫下的情況，可以從經典角度來看，這只是一個玻爾茲曼因子（Boltzmann factor）和阿倫尼烏斯定律（Arrhenius Law），它非常依賴于ΔU和kT的比值。然而在量子區間，它又可以隧穿，這同樣可以用我在這里給出的另一個公式（第三個公式）來解釋。此外，由于量子噪聲，我們還要考慮第三種情況，即

。我們原本以為這種情況不會發生。但關鍵在于，這三個公式截然不同。如果我們仔細測量參數，就能區分它們，并確定其物理本質。

如何通過實驗觀察到量子隧穿？

現在我想簡單談談量子隧穿。正如記者們在諾貝爾獎之后采訪我時所說，每當我提到波函數時，他們就完全不理解。我認為有一種更直觀的理解方式。那就是，大自然就像一個神經質的銀行家。大自然可以借給你一些能量，但過一小段時間t后它又想要收回這些能量。這個能量乘以時間t等于普朗克常數，米歇爾說它大約是 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，由于隧穿過程中會產生摩擦，你需要借用更多的能量來克服它。這就是為什么在量子公式的指數中，有一個與耗散相關的因子。這樣你就可以大大降低量子隧穿效應。如果你有耗散，你就必須圍繞它來設計實驗。

這就是這個實驗。我們第一次做這個實驗的時候，完全失敗了，這對實驗人員來說并不意外。然后我們坐下來，試圖弄明白到底發生了什么。我們首先意識到的一件事是，這是一個微波實驗。這種微波的振蕩頻率約為 5 或 10 GHz，實際上，這種頻率的微波非常狡猾，你也知道這件事，因為即使在建筑物內，你也能接收到來自很遠外部的手機信號，它可以通過某種方式穿透并產生這種效果。

所以我們必須把實驗裝置設計成對微波具有極佳的屏蔽效果。我們采用了上圖這種特殊的設計。右側的芯片帶有十字形連接點。它連接到一條屏蔽效果非常好的同軸線上。末端有一個蓋子，確保屏蔽效果良好。此外，我們在同軸線中填充了銅粉，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SMA連接器（一種非常好的牢固的連接器）。上圖左側的另外兩個圓筒是進一步的濾波器，確保沒有能量進入中心區域。還有一個微波連接器，用于注入我們剛才提到的微波。這個濾波器實際上是我們研究和仔細測量的最重要的部件之一，正是它使實驗得以進行。那么，我們如何測量這些參數？這非常重要。

上圖左側的部分，是我們用這個裝置，測量了變化電流下的開關時間和開關速率，發現頻率在這里緩慢變化。我們在這里設定了一個固定頻率，4.9 GHz。然后，當微波驅動粒子的頻率相同時，可以看到速率增強，這是物理學中一直研究的共振增強現象。從該特定躍遷的峰值，我們可以得到系統的振蕩頻率。從其高頻段的寬度，我們可以得到阻尼。有了這些，我們就得到了一個我們需要知道的基本參數——振蕩頻率。右邊是我們繪制的原始數據。我們用等離子頻率ωp/2π對Γ進行歸一化，再取對數，因為電流和ΔU之間的關系，所以取 2/3 次方，這是一個類似阿倫尼烏斯圖的曲線。如果你的數據質量良好（記住，一開始數據并不好，但現在很好），它應該呈現一條漂亮的直線，就像我們在圖表中心附近的點看到的那樣。這些點的數據非常理想。如果你將這條直線外推到縱軸的零點，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行測試，觀察I0值是否一致。你需要進行一些修正才能正確理解這個值。

有趣的是，隨著溫度越來越低，曲線變得越來越陡峭。在大約25到19毫開爾文之間，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象。這條曲線的斜率可以表示器件的有效溫度，它是根據公式中的ΔU進行縮放得到的。我們稱之為逃逸溫度。下圖繪制的是逃逸溫度與實際溫度的關系圖。正如之前所述，高溫下逃逸溫度Test等于T,這是不出意料的，因為這一切都符合經典物理規律。

然后，當溫度逐漸降低時，就開始趨于穩定了。這里我先停一下。數值趨于平穩，并不意味著你觀測到了量子隧穿效應 —— 這正是我們最開始時獲得的關鍵發現。你怎么能確定這不是其他物理機制導致的呢？有可能是外界的噪聲混入了實驗系統，才讓數值出現了平穩的現象。所以，設計對照實驗時必須格外嚴謹。我們當時做了一組對照實驗：首先，我們給系統加裝了優質的微波濾波器，確保已經排除了所有可能的干擾因素。第二步，我們利用平行于結區的磁場，來降低系統的臨界電流，最終把臨界電流降到了約 1 微安。這樣一來，系統振蕩的頻率也隨之降低，在幾乎整個降溫過程中，系統都表現出經典物理特性。這部分實驗數據，我們用空心圓來標注，如右圖所示。大家可以看到，空心圓對應的數值明顯偏低。這一結果也證明，我們對實驗系統的溫度控制已經足夠精準。

最后再回到數值平穩的問題上：平穩后的數值到底是多少呢？上圖右半部分坐標軸上標注的符號MQT，就是我們在測量完所有參數后，計算得出的理論預測值。大家能看到，在實驗誤差允許的范圍內，實測數據和理論預測值完全吻合。因此我們認為，這是驗證實驗系統正常工作的可靠方法。為了從數值層面證明這一點，我們此前也付出了大量的努力。

一個實驗，直觀看懂能級量子化

現在我想談談能級量子化。這張幻燈片是給正在學習量子力學的新生看的。

問題是這樣的，在量子力學中，能級量子化最初是通過普朗克輻射定律（紅外光譜）發現的。這里假設能級是量子化的，彼此之間的距離為?ω。但接下來需要進行大量的統計力學計算，這些計算在當時非常晦澀難懂。之后，你可以復現實驗數據，這當然很棒。然而，對于新生來說，這很容易讓人感到不知所措。所以我想向你們展示的是，利用我們現在能夠制造的新型量子設備（可以說是所有這些研究的成果），可以直接測量光子。

這是我在90年代末與Sae Woo Nam合作完成的一個實驗。不幸的是，他去年去世了。但這個實驗真的非常精彩。我們的做法是，取一小塊溫度極低、熱容很小的超導體，讓它處于超導轉變溫度附近。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量子干涉器件（SQUID）放大器上。這樣，你就可以施加一個能量脈沖，并獲得非常精細的能量分辨率。比如，你取一束外觀呈現經典脈沖星輻射特性的光束（波長為 1556 納米），我們先將其調制成短脈沖形式。這樣一來，光束平均便具有了特定的能量值。隨后，我們對該脈沖激光進行衰減處理，再將其入射到微熱量計上。原理很簡單：當微熱量計吸收了激光的能量后，會將其轉化為熱量，自身溫度隨之上升；之后，經過一段時間，溫度又會下降，最終恢復至熱平衡狀態 —— 這完全符合一臺高靈敏度測溫儀的預期工作特性。

在上圖的右上角，我們展示了一些時間軌跡。可以看到溫度先升高，這就是信號。然后溫度隨時間下降。但如果你仔細觀察，會發現溫度曲線呈現出條帶狀分布。如果你觀察峰值并將其繪制成直方圖，你會發現這個脈沖的能量存在離散的峰值。按照經典理論，你預期只有一個能量值。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的。而現在，你可以直接從一臺高靈敏度探測器連接的示波器上觀測到這一現象—— 這臺探測器能夠測量極其微弱的能量信號。我希望后人在回顧這個實驗時，能夠對相關物理機制形成更直觀的認知，這也是我在此處介紹它的原因。

接下來要講的是我們之前提到過的能級實驗：在實驗中，我們向系統施加微波信號；當微波以特定方式與系統發生共振時，就能觀測到逃逸率的顯著提升。這一實驗結果非常有價值，它從定性層面證實了實驗系統存在量子力學的獨特特征，而這種特征正是能級量子化所具備的基礎性標志。

當我在示波器上看到這個現象時，我感到特別興奮。這可以說是我研究生生涯中最激動人心的時刻。我們從這個結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。傳統意義上，我們依靠元素周期表去認知原子；而如今，我們可以借助這些電路來實現人工原子的構建。

另外，在此次諾貝爾獎周的活動中，我偶然看到了經濟學獎的宣傳海報，從中了解到了“組合知識”這一概念。當你擁有這種知識時，你就能獲得對你所觀察事物的非常基礎的理解。從技術角度來看，它使你能夠在發現之后繼續前進，因為你可以進行概括，并真正理解正在發生的事情。我想說的是，在這個實驗中，我們試圖從基礎入手，真正理解這個問題。正因如此，在過去的40年里，該領域的研究人員才得以取得巨大進展。不過，我也要補充一點，為了取得這些進展，大自然對我們非常慷慨，提供了穩定的約瑟夫森結，使我們能夠進行高質量的實驗，但同時也給我們留下了一些微妙之處。因此，我們需要眾多物理學家的參與才能使這一切順利進行。這真是一個完美的組合，不是嗎？

在這之后，我們開展了一項十分出色的實驗，直接測量了量子隧穿的時長。我們是如何實現這一測量的呢？可以用小球的類比來解釋：我們制作了一個可形變的 “小球”，并通過調控讓它具備可調節的時間動力學特性，隨后觀察改變 “小球” 特性時，隧穿過程會發生怎樣的變化。在本實驗中，我們在一段低溫平面波導的末端設置了一個結區。這種平面波導的工藝極為精密復雜。結區旁連接著一個波阻抗為 72 歐姆的元件，而在離結區一段距離的位置，我們設置了一個低阻抗的短路結構，以此增強系統的耗散效應。隨后，我們用同一條連接線將其一路連接至室溫環境，并且可以調節連接線的長度。我們來看右側的逃逸率曲線：在高溫條件下，逃逸率由公式ΔU/kT決定，整體走勢基本保持平穩。但到了低溫區間，逃逸率或隧穿時長會出現顯著變化，這一點從短時區域的曲線變化中就能清晰看出。我們先觀察高耗散狀態下的短時區域：這種情況下，系統的隧穿時長會相應變長。而當進入長時區域后，耗散效應的影響就不復存在了，此時系統僅受 72 歐姆阻抗的主導，逃逸率也會降至另一個不同的水平。在短時與長時區域之間，逃逸率則呈現出上下波動的狀態。關鍵現象出現在隧穿時長約為 30 皮秒的延遲時刻 —— 此時系統正發生量子隧穿。在隧穿事件發生之前，系統有機會向下躍遷至某一能級，發生相互作用后再躍遷返回，并與自身產生量子干涉。這里的特征時間是一個真實存在的物理量，它反映的正是這一極短時間窗口內的物理過程。

如何標定和制備量子比特？

接下來，我想介紹我們團隊于 2008 至 2009 年在加州大學圣塔芭芭拉分校開展的一項研究，今天現場的安德魯?克利夫蘭當時也參與了這項工作。

我們當時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，我們能夠對量子比特完成標定工作。大家可以看到左下方的這條曲線：我們先將量子比特調節至非諧振狀態，使其不與諧振器發生耦合；隨后再將其調至諧振狀態，讓二者產生相互作用，通過這一系列操作完成標定，從而實現量子比特向諧振器的可控光子傳輸。

這項研究的一大亮點在于，我們能夠制備出多種復雜的量子態，例如 |0?+|5? 或 |0?+i|3?+|6? 這類疊加態。我們采用了勞埃德和埃弗里特提出的精妙實驗方案，核心原理是在完成上述兩步標定后，施加 10 至 12 個脈沖序列，使系統內各元件產生協同相互作用。借助這套方法，我們得以從簡單的標定操作出發，制備出復雜度高得多的量子態。大家可以看到頁面上方的對比圖：理論曲線與實驗數據吻合度極高。圖中呈現的是一種名為維格納分布（Wigner distribution）的準概率分布，它能夠直觀反映量子態的具體特征。我之所以展示這項成果，是因為它證明我們可以通過簡單標定實現復雜量子態的制備。正是這項實驗，讓我對構建復雜量子計算序列并使其穩定運行的可行性有了更大信心，也讓我堅信我們的研究方向是完全正確的。

下一次量子計算飛躍還有多遠？

最后，在進入總結部分之前，我想簡要提一下量子優越性實驗。我在谷歌工作期間，參與研發了一臺53 量子比特的量子計算機。我們成功設計出一套包含數千個標定完備邏輯門的復雜運算序列，實驗結果也與量子力學的理論預測完全吻合。這項研究的精妙之處在于，該量子電路的算力源于其對超大計算空間的利用 —這一空間就是物理學家所說的希爾伯特空間，其維度高達253，對應約1016種量子態。這與我博士論文中的實驗有著異曲同工之妙，同樣印證了宏觀量子計算的物理基礎仍是量子力學。我們的研究進一步拓展了人類對量子力學的認知邊界，這是一項令人振奮的成果。此后，其他研究團隊也在此基礎上繼續深化探索。基于這些突破，我們有理由相信，構建一臺高性能量子計算機的目標觸手可及。目前的核心任務，就是找到與之適配的實用算法并將其落地應用。

我們可以用一組鮮明的對比來總結量子計算領域的發展歷程：1985 年，研究生們開展的研究還停留在性能可靠的微波實驗階段；而到了 2019 年，我們已經能夠研發出各類量子芯片。整個領域在這段時期實現了極為精細且深入的跨越式發展，這樣的進步令人振奮，也讓我們對未來滿懷憧憬。我曾在論文中闡述了這樣一個觀點：要在未來 5 到 10 年內成功研制出實用化的量子計算機，我們必須實現一次制造工藝的技術飛躍。我相信這次飛躍的量級將堪比 1985 年到 2019 年的行業巨變。然而，我認為，由于我們現在可以利用半導體產業的力量，以更可靠的方式實現這一目標，我們不需要花費35年的時間。我相信我們可以更快地實現它。這就是我創辦公司努力的方向。

總結

最后，我想總結一下。正如我一開始所說，我研究這些裝置是為了了解量子力學，并且能夠直觀地理解量子力學的運作方式。可以說，這就是我職業生涯的歷程，理解量子力學的過程也讓我感到非常愉快。回顧一下，我們有一個很棒的實驗，它直接展示了光子的能級量子化，這非常棒。現在我們可以理解隧穿效應，我們有光子發生器、復數發生器，還有量子優越性實驗，我認為這項實驗最值得稱道的一點在于，它的結論恰恰印證了量子力學的理論預言。

實驗結果表明，盡管量子力學并非完美無缺 ，過程中會不可避免地產生誤差 ，但只要你先測量單個直觀誤差，再去測量整個復雜系統的誤差，就會發現兩者間的關系完全遵循高中階段所學的概率統計規律。我覺得這一點實在令人驚嘆：量子力學既能支撐復雜的計算任務，其自身的不完美之處卻能通過更簡潔的方式來理解。

以上就是我的分享，感謝大家的聆聽。能有機會和各位聊聊我的科研歷程，對我而言是莫大的榮幸。

文字整理：小鈺

本文轉載自《墨子沙龍》微信公眾號

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