诺贝尔奖得主约翰·马蒂尼斯专访：以全新路径打造实用量子计算机

约翰·马蒂尼斯（John Martinis）是硬件专家。与教科书上的理想化世界相比，他更喜欢实验室里粗糙的物理学。但如果没有他，就不可能写出有关量子计算历史的书籍。他在该领域的两个最重要的时刻发挥了核心作用，而他也为了下一个目标而努力奋斗。

这一切都始于20世纪80年代，当时马蒂尼斯和他的同事进行了一系列实验，探索量子效应的已知边界——他去年因此获得了诺贝尔奖。当他还是加州大学伯克利分校的研究生时，我们知道亚原子粒子会受到量子效应的影响，但问题是量子力学的世界是否可以扩展到更大的尺度。

马蒂尼斯和他的同事构建并研究了由超导体和绝缘体混合物制成的电路，他们发现电路中的许多带电粒子的行为就像单个量子粒子一样。这是宏观量子性，它为迄今为止一些最强大的量子计算机奠定了基础，包括目前由IBM和谷歌支持的量子计算机。事实上，马蒂尼斯的工作开启了科技巨头使用量子比特或由超导电路制成的量子比特的趋势，这是当今世界上使用最广泛的量子比特。

马蒂尼斯第二次震撼这个领域，是他带领谷歌研究团队创建了量子计算机，首次实现了“量子霸权”。近五年来，它是世界上唯一一台可以检查随机量子电路输出的计算机，无论是量子计算机还是其他计算机。

现在，在他70岁生日即将到来之际，马蒂尼斯认为他可以利用超导量子比特取得另一场历史性胜利。2024年，他与他人共同创立了量子计算公司QoLab，他表示这家公司将采用一种全新的方法来尝试创造该领域每个人都在追逐的东西：真正实用的量子计算机。

记者：您在职业生涯早期做了一些非常基础的工作，从而引起了轰动。您什么时候开始意识到您的实验可能会带来新技术的创造？

约翰·马蒂尼斯：问题是宏观变量是否可以逃避量子力学，而我，因为年轻，刚刚学习量子力学，感觉这是我们需要测试的东西。也许如果你年纪大一些，你就会简单地认为量子力学是有效的。但当我还是个年轻的学生时，这似乎是一个从根本上测试量子力学的奇妙实验。

我们做的第一件事是利用现代技术进行了一次非常粗略且快速的实验。当我们收集数据时，实验彻底失败了。但我们能够很快站起来，所以这并不重要。毕竟，这是一个了解微波技术的实验。我们必须理解噪音，我们必须做很多技术性的事情，但在那之后（成功）来得很快。

在那之后的头十年里，我们进行了这个实验并创建了量子设备。我想说，后来量子计算理论取得了显著进步，尤其是肖尔算法（它考虑到大量数据来破解密码学），以及不久之后的纠错（算法）。这为该领域奠定了坚实的基础。现在人们可以想象正在建造一些东西。由此，资金出现了。

记者：资金如何改变研究并最终改变技术？

约翰·马蒂尼斯：自20世纪80年代以来，情况确实发生了变化。当时，人们甚至还没有测试过单个量子系统是否可以被正确纠缠和测量。我想知道过去40年事情发生了什么。量子计算已经发展成为一个巨大的领域，所有这一切最令人自豪的是，现在有如此多的物理学家致力于了解这些超导系统的量子力学并建造量子计算机。

记者：您参与了量子计算的诞生。这如何帮助您了解该领域目前的发展方向？

约翰·马蒂尼斯：在这个领域不断工作，我了解了物理学的基础知识。我在加州大学圣巴巴拉分校的团队中建造了第一个用于（量子设备）的微波电子设备，然后在谷歌，我建造了自己的低温恒温器（将超导量子计算机冷却到其运行所需的极低温度的设备）。我参与了每个元素的制作。我认为很多人，如果没有经历过这一切，就会对我们继续前进持乐观态度。我知道所有的问题出在哪里。如果你想构建一个非常复杂的计算系统，那么这就是系统工程，我认为我的优势在于我非常了解一切的基本物理原理。

记者：您认为量子计算硬件必须如何改变才能使量子计算机变得有用和实用？您认为哪些变化将作为下一次突破的开始？

约翰·马蒂尼斯：离开谷歌后，我开始将量子计算机视为一个整体系统，并重新思考我们实际需要创建和改进的所有基础知识。QoLab以此为基础，对我们创建量子比特的方式（在制造技术方面）以及如何将它们组合在一起（尤其是在布线方面）进行了相当大的改变。我们意识到，我们需要考虑以完全不同的方式构建量子计算机，以使技术可靠并降低成本。它很复杂，人们很难理解。我们遇到了数量惊人的反对和怀疑，但根据我多年的物理学经验，这意味着我们有一个好主意。

记者：我们有时听说要创建一台真正有用的无差错量子计算机，它需要大量的量子比特，数以百万计。你将如何到达那里？

约翰·马蒂尼斯：从我们要突破的地方来说，是制造，特别是量子芯片的制造，这也是最难的部分。如果你看看每个人都在做什么——谷歌、IBM、亚马逊和许多其他公司——他们正在使用，我不知道，大约是20世纪50年代或60年代的制造技术。据我所知，目前还没有其他行业使用这些方法构建实际电路。所以我们认为，如果你想创建一百万个量子比特并使其可靠，你需要做其他事情。

我们对如何从根本上改变这些设备的构建方式感到非常兴奋。我们的芯片架构将帮助您摆脱所有电线。如果你看一张（超导）量子计算机的图片，你会发现它只是一片电线和微波组件的丛林。我想把它全部放在一个芯片上，并且能够扩展它。在超导量子比特中，一个大问题是布线问题，我们正在努力解决它。

记者：您认为五年后实用量子计算机的竞赛中会有明显的获胜者吗？

约翰·马蒂尼斯：人们尝试通过多种不同的方式构建量子计算机，并且考虑到系统工程的限制非常困难，我认为这个问题值得通过多种不同的方式来解决。我认为很多不同的想法得到资助是件好事，因为这样人们就有更好的机会取得突破。但当我想到这些限制时，我通常会说，许多项目对于满足这些限制实际上需要什么（例如管理成本或大规模生产设备）有点天真。另一方面，我确信许多研究小组都有解决一些他们不公开谈论的设计问题的想法。我认为为QoLab的商业计划有点不同，甚至可能是独一无二的，因为我们拥抱合作，因为我觉得我们需要所有的专业知识。我们与知道如何扩展和处理复杂制造的设备制造公司合作。

记者：如果明天有人给你一台非常大且无错误的量子计算机，你会首先尝试什么？

约翰·马蒂尼斯：我对使用量子计算机解决量子化学和量子材料中的问题非常感兴趣。最近有几篇关于使用这种方法来帮助（提取更多有用信息）化学核磁共振（NMR）实验的文章，我真的很喜欢它作为初步应用。由于量子力学的基本困难，这个量子问题很难在经典超级计算机上解决。但这个问题当然可以通过量子计算机从根本上解决——你只需将量子问题映射到量子计算机上即可。我对此感到兴奋，部分原因是我喜欢对如何构建（设备）有某些想法，并且人们已经开发了某些算法来实现（例如改进NMR等应用程序）。

许多人可能会考虑进入优化问题和量子人工智能等领域。对我来说，这更多的是“尝试一下，看看是否有效”。材料和化学使用背后的理论要具体得多。我们知道量子计算机需要有多大。我认为我们可以建造这台机器，无论是在尺寸上还是在执行速度上。

记者：量子计算机的一些潜在应用早在30多年前就已通过数学方法被确定。为什么它们还没有成为现实？

约翰·马蒂尼斯：你可以从量子比特的行为中抽象出来，想象如何构建一台量子计算机，这很棒，因为这样计算机科学家、数学家和理论家就会思考它。但这里真正的问题是，真正的量子比特具有噪声源（例如来自外部电线的热量或量子位自身材料中的杂质）以及物理性质的问题。量子计算领域的许多重大进展都是由理论家完成的，这很好，但真实的系统要复杂得多，就像制造能够正常工作的硬件所需的那样。

约翰·克拉克（我的主管）小组教我如何理解噪音。这种经验对我和与我一起工作的人来说非常有用，因为我们以非常物理的方式思考量子比特，试图摆脱使芯片不可靠的物理噪声机制。这正是量子霸权实验所发生的情况（一些噪音来自这样的事实），您的设备具有这些“两级状态”，并且您可以纵容它来避免它们。您可以让它发挥作用，但这真的很痛苦，而且很难扩展。我希望我们（现在）消除或减少这种影响。要理解这一点，您必须深入研究量子比特设计的细节。

问题是你需要同时拥有硬件和应用程序的想法，我认为我们需要在所有领域使硬件变得更好。这就是我关注的重点。

参考链接
https://www.newscientist.com/article/2513239-nobel-laureate-says-hell-build-worlds-most-powerful-quantum-computer/?utm_campaign=RSS%7CNSNS&utm_source=NSNS&utm_medium=RSS&utm_content=technology

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