谷歌量子計算關鍵人物辭職，曾幫助實現量子世界的“Hello World”時刻_風聞

去年10月，谷歌首次實現量子優越性的里程碑式突破，並登上Nature封面。

谷歌在論文中稱，他們使用一台54量子比特的量子計算機實現了經典計算機無法完成的任務。在世界第一超級計算機需要計算1萬年的實驗中，量子計算機只用了短短3分20秒。

當時，谷歌CEO桑達爾·皮查伊（Sundar Pichai）將此次突破比作“萊特兄弟的首飛”。

可惜的是，谷歌量子人工智能實驗室卻出現了重大人事變動。據《連線》報道，該團隊的一個關鍵人物約翰·馬丁尼斯（John Martinis）本月初辭職。

馬丁尼斯對《連線》表示，其實在該團隊首次驗證量子優越性實驗後不久，他就從領導職位調任為顧問崗位，而這一變化導致了他與谷歌量子項目的長期負責人哈特穆特·內文（Hartmut Neven）的分歧。

馬丁尼斯的另一個身份是加州大學聖巴巴拉分校的物理學教授，他表示自己將繼續量子計算的研究。

約翰·馬丁尼斯

“量子優越性”這一概念是2012年約翰·普瑞斯基爾（John Preskill）提出的。它的英文名是“quantum supremacy”，意為“優越性”，指的是量子計算機憑藉遠超經典計算機的優越性能，代表量子計算裝置在特定測試案例上表現出超越所有經典計算機的計算能力。

谷歌證實了量子計算機的運算速度遠超傳統計算機，這是量子計算機發展史上的一件里程碑事件。雖然離量子計算機真正面世還很遙遠，但我們的確邁出了重要的一步，使量子計算從理論走向現實。

而在所有這一切成就中，馬丁尼斯功不可沒。今天，我們一起來看看這位超級大牛的彪悍人生。

被一次演講改變的人生

1981年， 在MIT與IBM聯合舉辦的量子物理計算大會上，被譽為愛因斯坦之後最偉大的科學家理查德·費曼（Richard Feynman）發表了著名的《用計算機模擬物理學》的報告。

報告中，費曼首次提出了量子計算機的概念（利用粒子的量子特性製造計算機），並敦促科學家們儘快造出一台量子計算機，因為想要模擬量子系統的演化，經典計算機根本無法實現，必須要用量子系統來模擬。

費曼有一句經典名言：“如果你以為自己懂量子力學，那你是真的不懂量子力學。”

他表示：“我對所有經典理論分析都不滿意，因為自然不是經典的。如果你想模擬自然，你最好把它變成量子力學。”

在經典計算機中，信息存儲是通過0和1實現的。0和1的每個單位是比特，每個比特可以被設置成0或1。量子計算機的基本單位不是比特，而是量子比特。因為量子具有疊加態，量子比特可以是0或1，也可以像薛定諤既死又活的貓一樣，同時是0和1兩種狀態的疊加。

因為量子比特可以表示多種狀態，一次運算就可以處理多種情況，所以幾十個量子比特的運算力就能超過經典計算機，理想狀態下300個全糾纏狀態的量子比特就可以儲存比宇宙中原子數還多的信息。

比特和量子比特

1987年，剛從加州大學伯克利分校畢業的馬丁尼斯聽了費曼的演講後，深深地被量子計算機概念吸引住了。馬丁尼斯的研究方向本身也與量子有關，他的博士論文就是對超導體中的量子態進行了開創性研究。

受費曼的影響和啓發，馬丁尼斯走上了量子計算機的研究之路。他後來回憶道：“對我來説，很明顯這是個好主意，這樣的研究會很棒。”

實現量子優越性的Sycamore

2019年，谷歌在Nature 150週年紀念特刊上發表了名為《使用可編程超導處理器的量子優越性》（Quantum supremacy using a programmable superconducting processor）的文章，正式宣佈谷歌實現了量子優越性的消息。

實現了量子優越性的量子處理器名為“Sycamore”，由54個量子比特的二維陣列組成，每個量子比特可耦合到矩形格子中的4個臨近的量子比特。

Sycamore芯片

據報道，Sycamore測試時只有53個量子比特正常工作，但這並不影響Sycamore遠超經典計算機的運算能力，在200秒內解決了經典計算機需要10000年才能完成的問題。

在這短短200秒背後，是谷歌13年的努力。自2006年穀歌 AI量子團隊誕生以來，谷歌就開始了對量子計算機領域的探索。2014年，馬丁尼斯受邀加入谷歌團隊，成為谷歌的量子硬件首席科學家，負責領導量子計算機的硬件及芯片研究。

事實上，早從上世紀80年代開始，馬丁尼斯就一直在從事量子相關研究。還在讀研究生時，他就率先開展了超導量子比特的研究：

2002年以來，他的研究重點轉向利用約瑟夫森結（Josephson junction）建造量子計算機。

2010年，他和同事觀測到的“量子鼓”現象被Science評為2010年最重大的科學突破。

2014年，他因為在量子控制、量子信息處理和具有超導量子位和微波光子的量子光學領域的突出貢獻被授予了倫敦獎。

2015年，他帶領團隊研製出首個能檢測並糾正其自身錯誤的量子裝置。

……

Sycamore的誕生，離不開馬丁尼斯多年以來持之以恆的研究。

Sycamore處理器創建了53個量子比特的量子態，態空間維度高達253（約1016）。從重複實驗中得到的測量結果可作為概率分佈的樣本，使用經典計算機對其進行驗證。Sycamore處理器需要200秒就可對量子電路採樣一百萬次，而最新型經典超級計算機大約需要10000年才能完成同樣的任務，證實了量子優越性的存在。

谷歌CEO桑達爾·皮查伊接受採訪時表示：“此次事件就像萊特兄弟發明飛機一樣。雖然飛機第一次試飛只飛了12秒鐘，看起來沒有實際用處，但它證明了飛機飛行的可能性。”

桑達爾·皮查伊和谷歌的量子處理器

的確，距離真正製造出量子計算機，我們可能還需要更多時間，但是谷歌的發現證明了這樣的未來是可能實現的。Sycamore實現了量子優越性，證明我們正在沿着正確的道路前行，未來可期。

不會退休的物理學家

谷歌實現量子優越性，被許多專家稱為量子世界的“Hello World”時刻。

“Hello World”是開發人員用來測試系統的第一個程序，首次出現在1973年出版的《編程語言B教程導論》中。“Hello World”的出現，標誌着計算機時代的正式到來。只不過這一次，不是“Hello World”，而是“Hello 量子世界”，為我們認識世界提供了更多可能。

自然界是量子的，量子計算能幫助我們從分子層面上理解和模擬自然界。從氣候變化到各種疾病，量子計算還可以幫助解決這些目前最為棘手最為緊迫的問題。不過，距離量子計算機真正成為現實，我們還有很長一段路要走。

馬提尼斯自己也很清楚，這只是一場馬拉松的開始，而不是最後的終點衝刺。對於量子計算機的未來，他顯然有更多想法。他計劃開放Sycamore供外部研究人員在雲系統上使用，看是否有新的算法可以在Sycamore運行。

此外，由於現在的量子計算錯誤率非常高，信息的保真度只有0.1％，所以他未來的主要任務是製造更好的量子芯片，能糾正由噪聲引起的錯誤，降低錯誤率。他還計劃投入更多資源，儘快製造出真正的量子計算機。

“像我這樣的物理學家是不會退休的，”他説，“我還有很多事情要做。”