弃暗投明，Martinis放弃超导，拥抱光量子计算

　　谷歌量子霸权缔造者、加州大学圣芭芭拉分校教授
　　John Martinis（图片来源：  SQC  ）
　　1981年，伟大的物理家理查德·费曼（Richard Feynman）在MIT与IBM联合举办的量子物理计算大会上，发表了一项具有里程碑意义的《用计算机模拟物理学》报告。
　　他在这场报告中抛出重磅：制造出真正具有量子力学特性的计算机。费曼呼吁科学家们应当尽快造出一台量子计算机，因为经典计算机根本无法实现完全模拟量子系统的演化，必须采用量子系统，它将完成经典计算机所无法完成的工作。
　　这是量子计算机的概念首次被明确提出的历史性时刻，一大批科研学者们深受鼓舞。其中，一位刚从加州大学伯克利分校毕业、开始攻读物理学博士学位的年轻人，从此走上量子计算机研制之路。
　　这位年轻人就是John Martinis。如今Martinis已是量子计算领域的先驱人物，可以说，Martinis的量子计算机研究史，正是一部超导量子计算机发展史。
　　从约瑟夫森结到扩展量子比特
　　在费曼的启发下，Martinis决定去做在物理世界实现量子计算机这一充满吸引力的事。
　　1980年代中期，Martinis于加州大学伯克利分校攻读博士学位，师从英国著名物理学家John Clarke（其在超导量子干涉装置开发和应用方面做出了重要贡献）。在整个博士生涯中，Martinis进行了大量的宏观变量的量子行为研究，专注于研究约瑟夫森结的相位差，并产出了丰硕的研究成果。
　　Martinis的博士论文体现了其这一段时期的研究工作。在《Macroscopic qauntum tunneling and energy-level quantization in the zero voltage state of the current-biased tosephson junction》（电流偏置的约瑟夫森结在零电压状态下的宏观量子隧穿和能级量化）中， Martinis创造性地演示了超导体中量子比特的状态，再次有力地证明了符合量子力学的量子机器是可以在物理世界中实现的。
　　1986年，Martinis获得博士学位后，前往法国原子能和替代能源委员会开展博士后工作，随后进入美国国家标准技术研究所NIST-Boulder实验室担任研究员，从事超导量子干涉装置(SQUID)放大器的研究工作。
　　90 年代John Martinis（右上）与同事在NIST-Boulder实验室（图片来源：网络）
　　在NIST-Boulder实验室，Martinis发明了基于超导传感器的微量热计，用于X射线微量分析和天体物理学测量； 1999年，他开发出了一种基于计数电子的电容标准， 该标准为电容提供了一个自然基础，类似于电压的约瑟夫森效应和电阻的量子霍尔效应； 2002年，Martinis首次展示了相干拉比振荡(Coherent Rabi oscillations)和基于这种超导相位量子比特的量子测量。
　　随着取得越来越的探索成果，Martinis坚定了要打造出第一台量子计算机的目标。
　　2004年，Martinis进入加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）担任物理学教授，并带领Martinis实验室小组继续与NIST开展超导量子计算机联合研究。第二年，他们研究成果登录在《Science》（科学）杂志 ，成功展示了在新的诱导器件中实现量子纠缠态。
　　关于这一成果 ，Martinis激动地评价道：＂这为利用人工原子进行简单的逻辑运算打开了大门，这是可能建造超导量子计算机的重要一步。＂
　　2010年，Martinis获得＂年度科学突破＂奖。《Science》杂志褒奖道，在过去的一年中， Martinis与Andrew Cleland教授设计出了一台机械震荡量子机器，首次证明了机械振荡器系统中的量子基态，此举为引导世界对量子力学建立新理解奠定了里程碑（1）。
　　2013年，Martinis团队提出了一种新的耦合器，其在理论上的保真度能够达到4个9，在当时实际实验值中可以达到99.45%。2014年，Martinis凭借在低温物理领域的研究工作获得伦敦奖。
　　John Martinis  （右）和Andrew Cleland, Aaron O＂Connell （图片来源：网络）
　　实现量子霸权的男人
　　2014年，Martinis率领其实验室小组加入谷歌的量子人工智能实验室(QuAIL)，担任谷歌量子硬件领导者，带领团队开展量子计算机研制。由此，开启了他在量子计算领域的辉煌时期。
　　作为科技前沿公司，谷歌早在21世纪初就已经显露出对量子计算新技术的兴趣。在量子硬件方面，谷歌起初选择与加拿大量子硬件公司D-Wave合作，甚至在D-Wave的量子计算机上押下了重要赌注。
　　就在2014年6月，谷歌在花费1500万美元的D-Wave2——全球第一台量子计算机上进行了运算测试，尽管谷歌并未公布测试结果，同月，谷歌宣布Martinis加入并公布了其量子计算路线图。
　　对于D-Wave实现全球第一台量子计算机的说法，Martinis是质疑者之一。他在《Science》杂志上发表了一篇论文，论证D-Wave的机器实际上并不比经典计算机的速度快。
　　在评判对手的同时，Martinis对其Martinis量子团队充满信心。据一些外国媒体报道，早在正式加入谷歌之前，Martinis就已与谷歌进入了＂暧昧期＂，并最终说服Google将在未来为其打造一个比量子退火机更强大的替代品。
　　John Martinis（右）和他的谷歌量子团队（图片来源：网络）
　　进入谷歌后，Martinis带领带领实验室团队主要研究三个领域：通用型量子计算机、连续性模拟器、量子退火量子计算。
　　2015年3月，Martinis的团队首次论证了位于通用量子计算机所需的可靠阈值之上的量子比特。 他们通过在9个量子比特的芯片运行surface code的错误检验程序，展示了通过提升量子比特稳定性，扩展量子比特成为可能。
　　这一年，Martinis坚信要在未来两年内推出谷歌的新量子退火系统的同时，展示一台拥有约100个量子比特的完整通用量子计算机。
　　四年后， Martinis谷歌团队在《Nature》（自然）杂志上正式发表《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》（使用可编程超导处理器的量子霸权），宣布谷歌取得量子霸权。
　　Martinis谷歌团队首次在实验中证明了量子计算机相较于传统架构计算机的绝对性优势：当时世界最快超级计算机Summit需要运算1万年的任务，新量子计算机只需要200秒。
　　（图片来源：网络）
　　他们把这个实现量子优越性的量子处理器命名为＂Sycamore＂（悬铃木），它是由54个transmon量子比特（能够有效压制电荷噪声并且易于制备、集成和扩展）的二维阵列组成，每个比特与周围的4个比特相耦合。
　　整个处理器的外观和普通的CPU芯片非常相似并由铝制造。悬铃木可执行20循环幺正操作，并能够在200 秒内执行随机电路的采样任务，从而获得百万个近似末态的比特串采样。
　　然而，消息传出后不久，IBM等对手立刻找来证据反驳Google的量子霸权。他们认为，谷歌的量子计算机仅是成功地解决了一项＂特殊＂的任务，并且如果用他们的超级计算机也只是需要2.5天即可完成，而不是1万年（2）。
　　自此，尽管Martinis频繁为悬铃木成果＂站台＂，但其仍在业内饱受纷争。毋庸质疑的是，Martinis在2019年成为实现量子霸权的男人，为量子计算领域立下了一重要里程碑。
　　廉颇老矣，尚能饭否？
　　悬铃木的出现给行业带来了大量的信心，量子计算机的制备也进入了高速发展时期。
　　尽管它给谷歌带来了更多的困扰。相比于对谷歌实现量子霸权弊端增加的质疑还要可怕的是，谷歌量子团队内部在下一步的方向上争论不休甚至爆发了冲突。
　　2020年，Martinis出走谷歌。从其之后接受媒体的采访中可以看到，自实现量子霸权后谷歌以及其量子团队随之承受了巨大的压力和强烈关注，一面是攀登下一座高峰——开发出实现容错的、有用的百万量子比特量子计算机；另一面是完善悬铃木处理器的漫长之路，Martinis与Hartmut Neven意见相左，并最终选择另寻新天地。
　　同年9月，Martinis宣布加入澳大利亚量子计算初创公司Silicon Quantum Computing (SQC) ，正式开展硅量子计算机研究。在消息公布后，Martinis深情地讲道：＂建造一台真正的量子计算机是我毕生的追求，如果能成功达成，这将是人类史上巨大影响的变革性成就。＂
　　（图片来源：网络）
　　根据Martinis的说法，即使对于SQC的技术路线方法并不是特别熟知，但他仍然非常看好其硅量子计算机：＂硅的物理和制造非常复杂且非常有趣。如果使用得当，复杂性很好。这是我喜欢 Michelle Simmons小组的原因之一——它可以逐个原子地制造其设备。我觉得很干净。＂
　　SQC成立于2017年，由Michelle Simmons教授领导。该团队开创了一种新的方法——硅 量子比特构建技术 。2018 年，Simmons 团队创建出了首个硅中双原子量子比特门，操作在0.8纳秒内完成，较当时其他基于自旋的双量子比特门快200倍，由此树立了构建原子级量子计算机的一个重要里程碑（3）。
　　2021年，Martinis荣获第七届两年一度的贝尔奖(John Stewart Bell Prize) 以表彰其研究量子力学及其应用的基本问题。该奖项是基础量子力学及其应用领域中最负盛名的奖项之一，这也再次大大肯定了Martinis在超导量子位的设计和控制方面的重大工程成就和创新。
　　进入2022年，Martinis即将度过人生的第64周年，业内依旧在期待他能带来更多消息。
　　参考：
　　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
　　编译：王衍/李每