12月6日至12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。
在卡洛琳斯卡医学院和瑞典皇家科学院，墨子沙龙现场参加了诺贝尔奖得主记者见面会，聆听了获奖者们的学术报告，并将陆续与读者分享现场的精彩内容。
今日分享的是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。
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。
演讲｜John Martinis
我很荣幸今天能在这里和大家交流。当我还是研究生的时候，我加入了约翰·克拉克（John Clarke）实验室，因为他当时正在进行一些非常有趣的实验，研究电路中的量子噪声现象。这恰好结合了我的个人兴趣——我对电子学很感兴趣，同时作为一名研究生，我对量子力学非常着迷，并且渴望通过实验来更好地理解它。
今天，我很荣幸能为大家介绍我们的合作项目 —— 该项目最终成为了我在加州大学伯克利分校的毕业论文。接下来，我还会简要分享这项研究的后续发展方向，以及它在我职业生涯中衍生出的其他一些优秀实验案例。我想说，在我的职业生涯中，我非常荣幸能够专注于物理仪器的研发，制造各种形式的量子器件。数年前我前往剑桥大学深造后悟到一点，如果你追溯我的科学传承，从约翰·克拉克到剑桥大学，你会发现我的导师们都非常出色，他们研发出了卓越的仪器，并且从这些自研仪器中探索出了大量物理新发现。此外，在加州大学伯克利分校，欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）建造了回旋加速器以及伯克利的其他加速器，这激发了我对探索这类科学仪器的兴趣，也促成了许多有趣的事情。
宏观物体是否遵循量子力学规律？
前面的讲座已经探讨过遵循量子力学规律的宏观变量。在此，我想谈谈个人观点：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。这是一种非常神奇的现象，以至于在我的家乡加利福尼亚州，人们认为这种晶体具有神奇的疗愈力量。这真是一个令人惊叹的现象。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。
我们目前开展的研究，则看起来截然不同。我们的核心问题是：宏观物体是否遵循量子力学规律？例如，把球扔向墙壁是否存在极短的一段时间内，这个球能够隧穿穿过墙面？对于真实的球体而言，这种情况是否可能发生？但如果我们设计出恰当的电路，就能够通过实验验证这一点。为了确保我们真正理解，我们来讨论一下宏观变量。一个很好的例子是某种材料在高温下的气体，所有物质都从表面脱离，原子四处飞散。显然，这是一个非常复杂的状态，难以描述。如果温度低于凝固温度，它就会形成固体，甚至可能是晶体，现在，如果你想描述这个系统的状态，你只需要描述质心即可。这比描述气体时物理现象要简单得多。
金属中的电子也是如此。有一些统计数据需要考虑，但你可以把它想象成电子气体。当冷却时，会发现沿一个方向流动的电子和沿相反方向流动的电子会形成称为库珀对的结构，它们的净动量为零。因此，每个库珀对的动量为零，并且每个库珀对都可以通过声子凝聚机制与其他库珀对相互作用。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。
我们在这里做的是制造一个带有弱连接（势垒）的超导体。这里，势垒是非常薄的氧化铝。然后，根据约瑟夫森效应（Josephson effect），流过该器件的电流具有一个最大值，即临界电流，我们可以将其在我们的器件中调节到几微安的精度，带有一个相位的符号差别。直到这里，一切仍然遵循经典理论。正如我们之前讨论过的，我们感兴趣的是零电压状态，此时器件表现得像一个良好的超导体。如果流过该器件的电流过大，它就会进入正常电压状态，沿着势阱向下滚动 。这种转变是由越过或穿过我们之前描述的势垒决定的。当电流接近临界电流时，势垒高度趋于零。当电流接近零时，势垒高度会以3/2次方递增。据此，我们在实验中做的第一件事就是非常清晰地写下其中的物理原理，即上图的三个公式。在高温下的情况，可以从经典角度来看，这只是一个玻尔兹曼因子（Boltzmann factor）和阿伦尼乌斯定律（Arrhenius Law），它非常依赖于ΔU和kT的比值。然而在量子区间，它又可以隧穿，这同样可以用我在这里给出的另一个公式（第三个公式）来解释。此外，由于量子噪声，我们还要考虑第三种情况，即
。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？
现在我想简单谈谈量子隧穿。正如记者们在诺贝尔奖之后采访我时所说，每当我提到波函数时，他们就完全不理解。我认为有一种更直观的理解方式。那就是，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。这个能量乘以时间t等于普朗克常数，米歇尔说它大约是 10 的 -34 次方 (自然单位制)。你必须保证 ΔU 和 Δt 都很小，但这样你仍然可以借用和归还能量。这样做的好处之一是，就像米歇尔提到的那样，如果你考虑阻尼和摩擦，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。
这就是这个实验。我们第一次做这个实验的时候，完全失败了，这对实验人员来说并不意外。然后我们坐下来，试图弄明白到底发生了什么。我们首先意识到的一件事是，这是一个微波实验。这种微波的振荡频率约为 5 或 10 GHz，实际上，这种频率的微波非常狡猾，你也知道这件事，因为即使在建筑物内，你也能接收到来自很远外部的手机信号，它可以通过某种方式穿透并产生这种效果。
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。我们采用了上图这种特殊的设计。右侧的芯片带有十字形连接点。它连接到一条屏蔽效果非常好的同轴线上。末端有一个盖子，确保屏蔽效果良好。此外，我们在同轴线中填充了铜粉，铜粉具有很大的表面积，可以有效地阻尼微波辐射。你可以看到，我们填充了铜粉。末端是一个SMA连接器（一种非常好的牢固的连接器）。上图左侧的另外两个圆筒是进一步的滤波器，确保没有能量进入中心区域。还有一个微波连接器，用于注入我们刚才提到的微波。这个滤波器实际上是我们研究和仔细测量的最重要的部件之一，正是它使实验得以进行。那么，我们如何测量这些参数？这非常重要。
上图左侧的部分，是我们用这个装置，测量了变化电流下的开关时间和开关速率，发现频率在这里缓慢变化。我们在这里设定了一个固定频率，4.9 GHz。然后，当微波驱动粒子的频率相同时，可以看到速率增强，这是物理学中一直研究的共振增强现象。从该特定跃迁的峰值，我们可以得到系统的振荡频率。从其高频段的宽度，我们可以得到阻尼。有了这些，我们就得到了一个我们需要知道的基本参数——振荡频率。右边是我们绘制的原始数据。我们用等离子频率ωp/2π对Γ进行归一化，再取对数，因为电流和ΔU之间的关系，所以取 2/3 次方，这是一个类似阿伦尼乌斯图的曲线。如果你的数据质量良好（记住，一开始数据并不好，但现在很好），它应该呈现一条漂亮的直线，就像我们在图表中心附近的点看到的那样。这些点的数据非常理想。如果你将这条直线外推到纵轴的零点，就能得到器件的临界电流，就是在ΔU=0的地方。
你可以在不同的温度下进行测试，观察I0值是否一致。你需要进行一些修正才能正确理解这个值。
有趣的是，随着温度越来越低，曲线变得越来越陡峭。在大约25到19毫开尔文之间，曲线斜率就不再变化了。这再次表明你观察到了新的物理现象。这条曲线的斜率可以表示器件的有效温度，它是根据公式中的ΔU进行缩放得到的。我们称之为逃逸温度。下图绘制的是逃逸温度与实际温度的关系图。正如之前所述，高温下逃逸温度Test等于T，这是不出意料的，因为这一切都符合经典物理规律。
然后，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。你怎么能确定这不是其他物理机制导致的呢？有可能是外界的噪声混入了实验系统，才让数值出现了平稳的现象。所以，设计对照实验时必须格外严谨。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。这部分实验数据，我们用空心圆来标注，如右图所示。大家可以看到，空心圆对应的数值明显偏低。这一结果也证明，我们对实验系统的温度控制已经足够精准。
最后再回到数值平稳的问题上：平稳后的数值到底是多少呢？上图右半部分坐标轴上标注的符号MQT，就是我们在测量完所有参数后，计算得出的理论预测值。大家能看到，在实验误差允许的范围内，实测数据和理论预测值完全吻合。因此我们认为，这是验证实验系统正常工作的可靠方法。为了从数值层面证明这一点，我们此前也付出了大量的努力。
一个实验，直观看懂能级量子化
现在我想谈谈能级量子化。这张幻灯片是给正在学习量子力学的新生看的。
问题是这样的，在量子力学中，能级量子化最初是通过普朗克辐射定律（红外光谱）发现的。这里假设能级是量子化的，彼此之间的距离为ħω。但接下来需要进行大量的统计力学计算，这些计算在当时非常晦涩难懂。之后，你可以复现实验数据，这当然很棒。然而，对于新生来说，这很容易让人感到不知所措。所以我想向你们展示的是，利用我们现在能够制造的新型量子设备（可以说是所有这些研究的成果），可以直接测量光子。
这是我在90年代末与Sae Woo Nam合作完成的一个实验。不幸的是，他去年去世了。但这个实验真的非常精彩。我们的做法是，取一小块温度极低、热容很小的超导体，让它处于超导转变温度附近。这样它就非常灵敏。然后把它连接到我们之前提到的量子极限超导量子干涉器件（SQUID）放大器上。这样，你就可以施加一个能量脉冲，并获得非常精细的能量分辨率。比如，你取一束外观呈现经典脉冲星辐射特性的光束（波长为 1556 纳米），我们先将其调制成短脉冲形式。这样一来，光束平均便具有了特定的能量值。随后，我们对该脉冲激光进行衰减处理，再将其入射到微热量计上。原理很简单：当微热量计吸收了激光的能量后，会将其转化为热量，自身温度随之上升；之后，经过一段时间，温度又会下降，最终恢复至热平衡状态 —— 这完全符合一台高灵敏度测温仪的预期工作特性。
在上图的右上角，我们展示了一些时间轨迹。可以看到温度先升高，这就是信号。然后温度随时间下降。但如果你仔细观察，会发现温度曲线呈现出条带状分布。如果你观察峰值并将其绘制成直方图，你会发现这个脉冲的能量存在离散的峰值。按照经典理论，你预期只有一个能量值。但在这里你看到的是一系列能量值，它们之间的间隔是普朗克常数乘以频率。你看到的这种能量量子化正是普朗克辐射定律所假设的。而现在，你可以直接从一台高灵敏度探测器连接的示波器上观测到这一现象 —— 这台探测器能够测量极其微弱的能量信号。我希望后人在回顾这个实验时，能够对相关物理机制形成更直观的认知，这也是我在此处介绍它的原因。
接下来要讲的是我们之前提到过的能级实验：在实验中，我们向系统施加微波信号；当微波以特定方式与系统发生共振时，就能观测到逃逸率的显著提升。这一实验结果非常有价值，它从定性层面证实了实验系统存在量子力学的独特特征，而这种特征正是能级量子化所具备的基础性标志。
当我在示波器上看到这个现象时，我感到特别兴奋。这可以说是我研究生生涯中最激动人心的时刻。我们从这个结果中能得到什么启示呢？我们找到了一种制备人工原子的全新方法。传统意义上，我们依靠元素周期表去认知原子；而如今，我们可以借助这些电路来实现人工原子的构建。
另外，在此次诺贝尔奖周的活动中，我偶然看到了经济学奖的宣传海报，从中了解到了“组合知识”这一概念。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。我想说的是，在这个实验中，我们试图从基础入手，真正理解这个问题。正因如此，在过去的40年里，该领域的研究人员才得以取得巨大进展。不过，我也要补充一点，为了取得这些进展，大自然对我们非常慷慨，提供了稳定的约瑟夫森结，使我们能够进行高质量的实验，但同时也给我们留下了一些微妙之处。因此，我们需要众多物理学家的参与才能使这一切顺利进行。这真是一个完美的组合，不是吗？
在这之后，我们开展了一项十分出色的实验，直接测量了量子隧穿的时长。我们是如何实现这一测量的呢？可以用小球的类比来解释：我们制作了一个可形变的 “小球”，并通过调控让它具备可调节的时间动力学特性，随后观察改变 “小球” 特性时，隧穿过程会发生怎样的变化。在本实验中，我们在一段低温平面波导的末端设置了一个结区。这种平面波导的工艺极为精密复杂。结区旁连接着一个波阻抗为 72 欧姆的元件，而在离结区一段距离的位置，我们设置了一个低阻抗的短路结构，以此增强系统的耗散效应。随后，我们用同一条连接线将其一路连接至室温环境，并且可以调节连接线的长度。我们来看右侧的逃逸率曲线：在高温条件下，逃逸率由公式ΔU/kT决定，整体走势基本保持平稳。但到了低温区间，逃逸率或隧穿时长会出现显著变化，这一点从短时区域的曲线变化中就能清晰看出。我们先观察高耗散状态下的短时区域：这种情况下，系统的隧穿时长会相应变长。而当进入长时区域后，耗散效应的影响就不复存在了，此时系统仅受 72 欧姆阻抗的主导，逃逸率也会降至另一个不同的水平。在短时与长时区域之间，逃逸率则呈现出上下波动的状态。关键现象出现在隧穿时长约为 30 皮秒的延迟时刻 —— 此时系统正发生量子隧穿。在隧穿事件发生之前，系统有机会向下跃迁至某一能级，发生相互作用后再跃迁返回，并与自身产生量子干涉。这里的特征时间是一个真实存在的物理量，它反映的正是这一极短时间窗口内的物理过程。
如何标定和制备量子比特？
接下来，我想介绍我们团队于 2008 至 2009 年在加州大学圣塔芭芭拉分校开展的一项研究，今天现场的安德鲁・克利夫兰当时也参与了这项工作。
我们当时的研究方向是量子比特的制备，并尝试将量子比特与谐振器电路相耦合。在这款特制电路中，我们能够对量子比特完成标定工作。大家可以看到左下方的这条曲线：我们先将量子比特调节至非谐振状态，使其不与谐振器发生耦合；随后再将其调至谐振状态，让二者产生相互作用，通过这一系列操作完成标定，从而实现量子比特向谐振器的可控光子传输。
这项研究的一大亮点在于，我们能够制备出多种复杂的量子态，例如 |0⟩+|5⟩ 或 |0⟩+i|3⟩+|6⟩ 这类叠加态。我们采用了劳埃德和埃弗里特提出的精妙实验方案，核心原理是在完成上述两步标定后，施加 10 至 12 个脉冲序列，使系统内各元件产生协同相互作用。借助这套方法，我们得以从简单的标定操作出发，制备出复杂度高得多的量子态。大家可以看到页面上方的对比图：理论曲线与实验数据吻合度极高。图中呈现的是一种名为维格纳分布（Wigner distribution）的准概率分布，它能够直观反映量子态的具体特征。我之所以展示这项成果，是因为它证明我们可以通过简单标定实现复杂量子态的制备。正是这项实验，让我对构建复杂量子计算序列并使其稳定运行的可行性有了更大信心，也让我坚信我们的研究方向是完全正确的。
下一次量子计算飞跃还有多远？
最后，在进入总结部分之前，我想简要提一下量子优越性实验。我在谷歌工作期间，参与研发了一台53 量子比特的量子计算机。我们成功设计出一套包含数千个标定完备逻辑门的复杂运算序列，实验结果也与量子力学的理论预测完全吻合。这项研究的精妙之处在于，该量子电路的算力源于其对超大计算空间的利用 —这一空间就是物理学家所说的希尔伯特空间，其维度高达253，对应约1016种量子态。这与我博士论文中的实验有着异曲同工之妙，同样印证了宏观量子计算的物理基础仍是量子力学。我们的研究进一步拓展了人类对量子力学的认知边界，这是一项令人振奋的成果。此后，其他研究团队也在此基础上继续深化探索。基于这些突破，我们有理由相信，构建一台高性能量子计算机的目标触手可及。目前的核心任务，就是找到与之适配的实用算法并将其落地应用。
我们可以用一组鲜明的对比来总结量子计算领域的发展历程：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。
总结
最后，我想总结一下。正如我一开始所说，我研究这些装置是为了了解量子力学，并且能够直观地理解量子力学的运作方式。可以说，这就是我职业生涯的历程，理解量子力学的过程也让我感到非常愉快。回顾一下，我们有一个很棒的实验，它直接展示了光子的能级量子化，这非常棒。现在我们可以理解隧穿效应，我们有光子发生器、复数发生器，还有量子优越性实验，我认为这项实验最值得称道的一点在于，它的结论恰恰印证了量子力学的理论预言。
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。
以上就是我的分享，感谢大家的聆听。能有机会和各位聊聊我的科研历程，对我而言是莫大的荣幸。
本文经授权转载自微信公众号“墨子沙龙”，文字整理：小钰，原标题《诺奖得主Martinis大胆预言：下一次量子计算飞跃或将在5-10年内出现》
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