約翰·馬丁尼斯：谷歌“量子霸權”背後的男人_風聞

　　量子力學和相對論，被稱為現代物理學的基礎。

　　《復仇者聯盟4》上映時，網上流傳着這樣一個段子：**遇事不決，量子力學。**意思是説當劇情BUG太多，圓不回來時，就開始扯薛定諤的貓、量子糾纏、量子波動等高大上術語，一堆量子力學的名詞扔出來，唬得觀眾一臉不明覺厲。

　　從宣稱直達肌膚底層的量子美顏噴霧、5S升級版量子水杯到異想天開的量子肥料、荒唐的量子波動速讀，似乎萬事萬物皆可量子力學。

量子速讀動圖

　　而信奉“追求永無止境”的谷歌，自然也不會放過量子的早班車。

　　2019年9月20日，谷歌披露的一份內部報告稱，谷歌的量子計算機在3分20秒內解決了目前世界上最強大的超級計算機“Summit”需要1萬年才能計算出來的問題，實現了量子霸權。

　　消息一經面世，立刻引起了全世界的關注。

　　量子霸權這一概念是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”。**量子霸權不是針對任何國家、任何種族的霸權，而是指量子計算機憑藉遠超經典計算機的優越性能而擁有的霸權，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。**所以與其説谷歌實現了量子霸權，不如説谷歌證實了量子優越性更加準確。

　　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。而所有這一切成就，都離不開量子霸權背後的男人——約翰·馬丁尼斯（John Martinis）。

約翰·馬丁尼斯

被演講改變的人生

　　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。

　　他回憶道：“對我來説，很明顯這是個好主意。”

實現量子霸權的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霸權》（Quantum supremacy using a programmable superconducting processor）的文章，正式宣佈谷歌實現了量子霸權的消息。

　　實現了量子霸權的量子處理器名為“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，證實了量子霸權的存在。

　　Google CEO桑達爾·皮查伊（Sundar Pichai）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實現了量子霸權，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

　　谷歌實現量子霸權，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。”