

诺奖得主Martinis | 下一次量子计算飞跃或将在5-10年内出现

QTNEA世界量子科技产业集群

2025-12-10

据QTNEA获悉，近日，14位诺贝尔奖获奖者齐聚斯德哥尔摩，参与为期一周的2025年诺贝尔颁奖周活动。获奖者涵盖生理学或医学奖、物理学奖、化学奖及经济学奖等多个领域。

2025年诺贝尔物理学奖得主约翰·马丁尼斯（John Martinis）的获奖报告。1980年，马丁尼斯加入约翰·克拉克（John Clarke）的研究小组攻读博士学位；两年后，米歇尔·德沃雷（Michel Devoret）也以博士后身份加入该团队。1985年，他们共同“发现了宏观量子隧穿效应与电路中的能量量子化现象”。2019年，马丁尼斯与谷歌团队合作，在全球首次利用超导量子计算系统实现了“量子优越性”。2025年，他凭借相关贡献荣获诺贝尔物理学奖。

配图 | 诺奖得主Martinis

在本次报告中，马丁尼斯回顾了自己从博士生到谷歌首席科学家，再到诺贝尔奖得主的科研历程，并大胆预言：量子计算领域的下一次飞跃，即将在不久的将来实现。

宏观物体是否遵循量子力学规律？

物理学家对量子力学之所以会产生某种不适感，实际上源于量子力学本身包含的两个核心命题。一个是关于量子力学的波动性，由薛定谔波动方程描述，以及能级等等。另一个是关于对量子态的观测和测量。

很多物理学家都觉得这个命题太多了，应该只有一个。这种不适感的一部分在薛定谔的猫悖论中得到了很好的体现。实验中，一个原子发生微观层面的衰变，而这一衰变事件会决定盒内的猫的生死——原子衰变则猫死亡，未衰变则猫存活。在打开盒子进行观测和测量之前，悖论的核心问题便随之产生： 作为宏观生命体的猫，是否能够被描述为既死又活的叠加态？

正如我们之前所探讨的，莱格特教授（Anthony J.Leggett）曾提出一种观点：量子力学的规律或许决定了宏观物体无法处于量子叠加态。要验证这一猜想，我们就必须寻找相应的实验证据。此外，他还针对性地提出了电路实验方案。莱格特教授的有一项研究非常精彩。

他指出，这与证明微观量子力学规律可在宏观尺度上被观测到的情况并非同一概念。晶体就是一个很好的例子，晶体中的原子由于微观物理的相互作用而彼此连接，并因此以规则的方式堆叠。如果生长得当，它们可以堆叠到宏观尺度。但即便如此，你观察到的仍然是它们以高度可重复的方式堆叠的宏观特性。

超导现象中也存在类似的情形：超导体内部的粒子会在相位上实现协同排布，由此便能产生长程超导相干性。

超导态的奇妙之处在于，它有一个自由参数，就像固体一样，质心也是一个自由参数，称为相位。如果相位随距离发生变化，就相当于导线中有电流流过。只要电流不太大，它就处于超导态。如果电流过大，它就会开始表现得像普通金属一样，破坏库珀对。

我们原本以为这种情况不会发生。但关键在于，这三个公式截然不同。 如果我们仔细测量参数，就能区分它们，并确定其物理本质。

如何通过实验观察到量子隧穿？

大自然就像一个神经质的银行家。大自然可以借给你一些能量，但过一小段时间t后它又想要收回这些能量。

你可以想象，由于隧穿过程中会产生摩擦，你需要借用更多的能量来克服它。这就是为什么在量子公式的指数中，有一个与耗散相关的因子。这样你就可以大大降低量子隧穿效应。如果你有耗散，你就必须围绕它来设计实验。

所以我们必须把实验装置设计成对微波具有极佳的屏蔽效果。

当温度逐渐降低时，就开始趋于稳定了。这里我先停一下。数值趋于平稳，并不意味着你观测到了量子隧穿效应——这正是我们最开始时获得的关键发现。

我们当时做了一组对照实验：首先，我们给系统加装了优质的微波滤波器，确保已经排除了所有可能的干扰因素。第二步，我们利用平行于结区的磁场，来降低系统的临界电流，最终把临界电流降到了约1微安。这样一来，系统振荡的频率也随之降低，在几乎整个降温过程中，系统都表现出经典物理特性。

当你拥有这种知识时，你就能获得对你所观察事物的非常基础的理解。从技术角度来看，它使你能够在发现之后继续前进，因为你可以进行概括，并真正理解正在发生的事情。

下一次量子计算飞跃还有多远？

1985年，研究生们开展的研究还停留在性能可靠的微波实验阶段；而到了2019年，我们已经能够研发出各类量子芯片。整个领域在这段时期实现了极为精细且深入的跨越式发展，这样的进步令人振奋，也让我们对未来满怀憧憬。

我曾在论文中阐述了这样一个观点： 要在未来5到10年内成功研制出实用化的量子计算机，我们必须实现一次制造工艺的技术飞跃 。我相信这次飞跃的量级将堪比1985年到2019年的行业巨变。然而，我认为，由于我们现在可以利用半导体产业的力量，以更可靠的方式实现这一目标，我们不需要花费35年的时间。我相信我们可以更快地实现它。这就是我创办公司努力的方向。

实验结果表明，尽管量子力学并非完美无缺，过程中会不可避免地产生误差，但只要你先测量单个直观误差，再去测量整个复杂系统的误差，就会发现两者间的关系完全遵循高中阶段所学的概率统计规律。我觉得这一点实在令人惊叹： 量子力学既能支撑复杂的计算任务，其自身的不完美之处却能通过更简洁的方式来理解 。