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內容摘要：作者 | 施晶晶編輯 | 向現2025年的諾貝爾物理學(xué)獎再一次花落“量子力學(xué)”。量子力學(xué)講的是微觀(guān)世界的規律，電子、原子這些小東西會(huì )做一些看似“違背常識”的事情，比如單個(gè)粒?有時(shí)會(huì )施展“穿墻術(shù)”，出現

作者 | 施晶晶

編輯 | 向現

2025年的諾貝爾物理學(xué)獎再一次花落“量子力學(xué)”。

量子力學(xué)講的大廠(chǎng)是微觀(guān)世界的規律，電子、輸理原子這些小東西會(huì )做一些看似“違背常識”的諾獎得主事情，比如單個(gè)粒?有時(shí)會(huì )施展“穿墻術(shù)”，大廠(chǎng)出現在屏障的輸理另?側——而今年的諾獎物理學(xué)獎得主們讓“量子怪事”出現在肉眼可見(jiàn)的世界里。

獲獎?wù)呤侵Z獎得主40年前的一支“夢(mèng)之隊”——不是大佬之間聯(lián)手攻關(guān)，而是大廠(chǎng)“導師+博士后+博士生”的師門(mén)組合。

2025年諾貝爾物理學(xué)獎公布現場(chǎng) / 新華社記者 彭子洋 攝

40年前，43歲的諾獎得主約翰·克拉克，32歲的大廠(chǎng)米歇爾·H·德沃雷特，27歲的輸理約翰·M·馬蒂尼斯，利用超導體構成的諾獎得主電子電路進(jìn)行了一系列實(shí)驗，在宏觀(guān)尺度上揭示了量子物理學(xué)的大廠(chǎng)運作。

量子物理學(xué)雖然神秘，輸理但現實(shí)已有諸多應用。

晶體管、半導體芯片是量子技術(shù)現有的成熟運用，“我們的發(fā)現是量子計算的基礎……手機能夠發(fā)揮作用的根本原因之一就是因為這些工作”，克拉克在諾獎現場(chǎng)接受電話(huà)采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。

量子力學(xué)是所有數字技術(shù)的基礎，但它不止如此。諾貝爾委員會(huì )表示，3位獲獎?wù)叩墓ぷ鳛殚_(kāi)發(fā)下一代量子技術(shù)打開(kāi)了窗口，包括量子密碼學(xué)、量子計算機和量子傳感器等。

在3位獲獎?wù)弋斨?，約翰·M·馬蒂尼斯最負盛名。他不只是個(gè)實(shí)驗物理學(xué)家，還是個(gè)極其注重應用的技術(shù)專(zhuān)家，堪稱(chēng)“物理學(xué)家中的工程師”。

約翰·M·馬蒂尼斯

從博士開(kāi)始，他就以極高的專(zhuān)注度深耕量子計算，為谷歌證明了“量子霸權”，帶領(lǐng)團隊6年“肝”出了200多篇論文，又為了“造一臺量子計算機”的人生目標，而與之分道揚鑣。

從“量子穿墻術(shù)”到“量子比特”

在許多采訪(fǎng)當中，馬蒂尼斯都提到一本對他影響頗深的書(shū)《從零到一》。

這是一本商業(yè)哲學(xué)的書(shū)，其核心觀(guān)點(diǎn)可以總結為：未來(lái)的進(jìn)步在于“垂直進(jìn)步”，即從0到1的創(chuàng )造，而非“水平進(jìn)步”，即從1到多的復制。

對馬蒂尼斯而言，他在量子物理學(xué)的發(fā)現與實(shí)踐也是從零到一的過(guò)程。

40年前，馬蒂尼斯還是個(gè)博士研究生，但那個(gè)改變他職業(yè)生涯的實(shí)驗就已成形。

時(shí)年27歲的馬蒂尼斯師從克拉克——一個(gè)探索超導體的量子特性、風(fēng)格穩健的導師，目睹他對待測量一絲不茍，實(shí)驗室里電線(xiàn)盤(pán)繞整齊，儀器標簽清晰，他對精準的著(zhù)迷，讓伯克利的低溫實(shí)驗室成為物理學(xué)中最精密的測試場(chǎng)所。

也是在這里，馬蒂尼斯認識了32歲的博士后研究員米歇爾·H·德沃雷特，后者喜歡問(wèn)“如果……會(huì )怎樣？”——這個(gè)問(wèn)題能激發(fā)新的想法，也能讓實(shí)驗在無(wú)數次失敗后依然保持活力。

米歇爾·H·德沃雷特

馬蒂尼斯負責建造、調試設備，直到它完全按照實(shí)驗設計的需求運行，對工程和技術(shù)十分敏感。

他們的目標看似簡(jiǎn)單：探究宏觀(guān)系統是否能像量子系統一樣運作。

他們的發(fā)現令人震驚。

量子力學(xué)的奇異之處在于它完全打破了我們對“常識”的認知。在微觀(guān)世界中，粒子可以在沒(méi)有足夠能量的情況下，穿越一個(gè)原本不可能跨越的障礙。這個(gè)看似“不可能”的現象被科學(xué)家們稱(chēng)為量子隧穿，它使得電子、原子等微小粒子能夠實(shí)現“穿墻”——出現在屏障的另一側。

然而隨著(zhù)量子規模擴大到一定值，穿墻術(shù)會(huì )失效，變得像宏觀(guān)世界當中的網(wǎng)球一樣，碰到墻壁就遇阻反彈。

量子力學(xué)中的隧道效應

而在實(shí)驗室里，約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷特與約翰·馬蒂尼斯所做的突破，正是將這種“量子穿墻術(shù)”轉化為可以在肉眼可見(jiàn)的世界中觀(guān)察到的現象。

在他們的實(shí)驗中，一個(gè)尺寸約為一厘米的芯片上的超導電路，竟然像一個(gè)“巨型原子”一樣，展現了量子力學(xué)的最奇異特性——能量量子化和量子隧穿。

由數十億個(gè)協(xié)同作用的庫珀對（注：兩個(gè)電子在特定條件下結成對）組成的超導電路可以從一種能態(tài)“隧穿”到另一種能態(tài)，從而在本不該存在電壓的地方產(chǎn)生電壓——這就像電路穿過(guò)了一堵看不見(jiàn)的墻。

在普通的導體中，電子之間會(huì )相互碰撞，同時(shí)也會(huì )與導體材料發(fā)生碰撞。當一種材料變成超導體時(shí)，電子會(huì )成對結合，形成庫珀對，并且形成一種沒(méi)有電阻的電流。庫珀對可以表現得像一個(gè)單一的粒子，充滿(mǎn)了整個(gè)電路

理論物理學(xué)家安東尼·萊格特指出：“這表明，量子世界的奇異行為不會(huì )隨著(zhù)規模的擴大而消失?！边@一洞見(jiàn)徹底改變了量子研究，將微觀(guān)世界的量子物理學(xué)規則帶入了宏觀(guān)世界的電路和電線(xiàn)當中，不僅打破了微觀(guān)與宏觀(guān)之間的界限，還為量子計算機的開(kāi)發(fā)奠定了基礎。

科學(xué)家可以據此發(fā)明“人造原子”作為量子器件的原型，這些器件可以通過(guò)操縱能量來(lái)處理信息——馬蒂尼斯此后正是利用這一原理創(chuàng )造了“超導量子比特”，即量子計算機的基本單元，為開(kāi)發(fā)“下一代數字技術(shù)”鋪路。

加入谷歌，證明“量子霸權”

拿了諾貝爾物理學(xué)獎不是馬蒂尼斯唯一的人生高光。

在此之前，他更為人熟知的身份是谷歌量子計算機研發(fā)團隊的領(lǐng)導者。2014年，他帶著(zhù)團隊加入了谷歌量子人工智能實(shí)驗室，著(zhù)手開(kāi)發(fā)量子計算機。

2019年，馬蒂尼斯團隊成功研發(fā)了名為Sycamore的量子處理器，并發(fā)表了一篇標志性的論文，宣布Sycamore在約200秒內完成了一項經(jīng)典超級計算機需要1萬(wàn)年才能完成（或實(shí)際上無(wú)法在合理時(shí)間內完成）的計算任務(wù)，由此實(shí)現了“量子霸權”。

Sycamore量子處理器

量子霸權是理論物理學(xué)家約翰·普雷斯基爾提出來(lái)的說(shuō)法，說(shuō)的是：在特定任務(wù)上，量子計算機的性能壓倒性地超越了傳統計算機，甚至超越了傳統超級計算機。概括地說(shuō)，就是證明量子機器能做傳統機器做不到的事情。

這一消息不僅震驚了剛剛起步的量子計算行業(yè)，也震動(dòng)了整個(gè)科學(xué)界。許多人曾預計，實(shí)現“量子霸權”還需要幾年甚至幾十年的時(shí)間。

盡管“量子霸權”這一術(shù)語(yǔ)引發(fā)了IBM等競爭對手的非議——認為谷歌夸大了傳統計算機模擬該任務(wù)所需的時(shí)長(cháng)，聲稱(chēng)優(yōu)化算法可以在更短的時(shí)間內完成——但馬蒂尼斯團隊的實(shí)驗仍被認為是量子計算從理論走向工程實(shí)踐的里程碑。

然而，“量子霸權”的任務(wù)必須專(zhuān)門(mén)設計，而不是直接解決一個(gè)有實(shí)際應用價(jià)值的問(wèn)題，主要作用是“概念證明”，證明量子技術(shù)原理的可行性和量子計算的巨大潛力。

馬蒂尼斯也不滿(mǎn)足于此，而是構建能夠真正幫助人類(lèi)的量子計算機，他知道，實(shí)用的量子計算機才可能是行業(yè)成功的關(guān)鍵。

谷歌量子計算機示意圖

“當我進(jìn)行基礎研究時(shí)，知道最終會(huì )有一個(gè)應用程序、一個(gè)設備或一個(gè)系統需要構建，這對我來(lái)說(shuō)非常有益。對我來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)自然而然的過(guò)程，我會(huì )從最基本的問(wèn)題開(kāi)始認真思考，到底我們需要知道什么才能真正讓某個(gè)東西發(fā)揮作用？”馬蒂尼斯受訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。

他補充說(shuō)，量子計算機實(shí)際上有很多實(shí)際應用。量子計算機的一個(gè)實(shí)際用途是幫助研究人員更好地理解化學(xué)，這可能會(huì )推動(dòng)從醫學(xué)到材料科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的新進(jìn)展。

“我考慮將它用于量子化學(xué)——這實(shí)際上是理查德·費曼最初提出的量子計算機方案——它可以映射分子中電子通過(guò)原子相互作用的物理過(guò)程，”馬丁尼斯說(shuō)，“這是一個(gè)經(jīng)典難題，你可以利用量子計算機的強大功能來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題?！?/p>

1965年諾貝爾物理學(xué)獎得主理查德·費曼

馬蒂尼思相信，量子計算機也有潛力幫助研究可持續能源技術(shù)，例如更高效的電池，“更好的電池可能會(huì )真正改變世界經(jīng)濟”。又或者是優(yōu)化飛機航線(xiàn)和資源路線(xiàn)，“哪怕是比現在好5%或10%的解決方案，也足以為企業(yè)節省大量的資金和成本。這真的很有趣，值得人們去研究?！?/p>

他樂(lè )觀(guān)地認為，量子計算最終將惠及越來(lái)越多的人，而量子技術(shù)有潛力被一系列企業(yè)商業(yè)化，而不僅僅是大型科技公司。

“我的希望和夢(mèng)想是，如果我們能建造一臺量子計算機，就能真正開(kāi)始解決這些實(shí)際的問(wèn)題。我們大概知道這應該可行?！彼f(shuō)。

出走谷歌，實(shí)用主義者的分歧

當谷歌宣布實(shí)現量子霸權時(shí)，谷歌老板桑達爾·皮查伊特別提到了馬蒂尼斯的名字，他把這個(gè)歷史性成就比作萊特兄弟的第一次試飛。

此后僅僅過(guò)了半年，馬蒂尼斯意外地從谷歌辭職。

在此期間，他被調離領(lǐng)導職位，降為顧問(wèn)，最終馬蒂尼斯離開(kāi)了谷歌。

他對媒體描述了自己的復雜處境，以及最終決定辭職的原因。

他透露幾年來(lái)，他所領(lǐng)導的硬件團隊內部一直關(guān)系緊張，起點(diǎn)就是他們提出要進(jìn)行量子霸權實(shí)驗的時(shí)候。

馬蒂尼斯的個(gè)人研究風(fēng)格強調專(zhuān)注于重要問(wèn)題，就像量子霸權實(shí)驗就是一個(gè)里程碑，極具挑戰性但在他看來(lái)仍然可行。但對團隊而言，專(zhuān)注卻很難。

馬蒂尼斯在谷歌實(shí)驗室前

“我認為團隊中的人們很難專(zhuān)注于量子霸權，因為這意味著(zhù)他們無(wú)法從事其他想做的事情，最重要的是，我們可能會(huì )失敗?！瘪R蒂尼斯描述了團隊內的分歧和沖突，“絕對樂(lè )觀(guān)的人很少見(jiàn)……我肯定想創(chuàng )造一臺具有特定設計的量子計算機，就想著(zhù)讓我們專(zhuān)注于此，讓它發(fā)揮作用……我認為我在物理學(xué)上的成功正是源于這種特質(zhì)”。

矛盾的是，“一旦我們實(shí)現了量子霸權，就不需要那么高度的專(zhuān)注了，大家自然會(huì )想要更多的獨立性……看到大家的緊張關(guān)系，他們（團隊）和管理層認為，最好還是讓我不再領(lǐng)導這個(gè)項目”。

馬蒂尼斯嘗試以顧問(wèn)身份工作了一段時(shí)間，他在自己的工作范圍里卓有成效，但進(jìn)行到連接量子比特系統時(shí)，不愉快的分歧再次出現。

在這個(gè)環(huán)節里，以可擴展且成本合理的方式進(jìn)行設計至關(guān)重要，馬蒂尼斯與一位“沒(méi)有實(shí)驗經(jīng)驗的理論家”意見(jiàn)相左。馬蒂尼斯指出，對方的解決方案行不通，但對方不愿意放棄；他轉而和管理層哈特·穆特討論，希望放棄一個(gè)在他看來(lái)沒(méi)有意義的項目，但沒(méi)有得到支持，哈特·穆特希望繼續嘗試兩個(gè)項目。

哈特穆特

“我覺(jué)得這整整一年的過(guò)程讓我非常不舒服，我實(shí)在無(wú)法承受，因為我長(cháng)期以來(lái)一直在做硬件方面的決策。我想我知道讓技術(shù)朝著(zhù)明確方向發(fā)展的最佳方法?！瘪R蒂尼斯坦言，“我很難過(guò)，因為我真的以為我們可以一起創(chuàng )造一些美好的事物，但你知道，事情并不總是如你所愿?！?/p>

之后，馬蒂尼斯獨自離開(kāi)了谷歌，移居澳大利亞，加入一家量子計算的初創(chuàng )公司SQC。當時(shí)，SQC正專(zhuān)注于擴大其技術(shù)平臺，推進(jìn)商用量子計算機，而那正是馬蒂尼斯在谷歌時(shí)一心想做的。

“我選擇來(lái)到SQC，是因為他們看重原子級制造的獨特方法。世界上沒(méi)有其他人能做到他們的能力?！瘪R蒂尼斯尼斯教授解釋自己的選擇，“打造一臺量子計算機是我畢生的夢(mèng)想。如果我們能夠成功大規模建造一臺量子計算機，這將是一項具有巨大影響力的變革性成就，將對人類(lèi)產(chǎn)生深遠的影響?！?/p>

量子計算初創(chuàng )公司SQC團隊

馬蒂尼斯的離職不是一個(gè)失意敗走的故事，而是一位實(shí)驗物理學(xué)家兼技術(shù)工程師尋找發(fā)揮其天賦、繼續完成其科學(xué)使命的新篇章。

10月8日，在接到諾貝爾獎組委會(huì )的電話(huà)里，馬蒂尼斯回憶起40年前，懷念和克拉克、德沃雷特一起相互激發(fā)想法、朝著(zhù)一個(gè)目標各自貢獻的時(shí)光。

盡管離開(kāi)谷歌，另行打造一臺量子計算機充滿(mǎn)挑戰，但他說(shuō)自己享受奔著(zhù)一個(gè)明確的目標而思考的過(guò)程——我們需要做哪些工作、需要和哪些人合作才能造出一臺商業(yè)上可行的量子計算機。

在電話(huà)最后，馬蒂尼斯概括自己沿著(zhù)“量子計算”一路向前的職業(yè)生涯。

無(wú)論是40年前為他帶來(lái)眼前諾貝爾獎的研究，還是加入谷歌帶領(lǐng)團隊以實(shí)驗證明“量子霸權”，抑或是出走谷歌，繼續打造量子計算機，其實(shí)都是追求：在對的時(shí)間、對的地方（公司），與對的人，用對的技術(shù)一起工作。