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约翰·马丁尼斯(John M. Martinis)是诺奖学者，也是实验狂人、硬件专家。
相比教科书里的理想化世界，他更偏爱物理实验室中的实质问题和关键细节。而他的实验突破、理论洞见和工程硕果，组成了量子计算历史中最壮阔的几个篇章。量子计算领域的两大至要时刻都由马丁尼斯主导缔造。
故事始于1980年代。彼时马丁尼斯在加州大学伯克利分校读研究生，而学界早已清楚亚原子粒子会受到量子效应影响，疑惑的则是量子力学世界能否扩展至更宏观的尺度。马丁尼斯与同事开展了一系列实验，探索量子效应的边界——这些工作后来也帮助他获得2025年诺贝尔物理学奖。
他们构建并研究了由超导体和绝缘体混合制成的电路。结果表明，电路中许多带电粒子的表现如同一个统一的量子粒子，这便是量子宏观效应(macroscopic quantumness)，为行业建造最强量子计算机奠定了基础，眼下IBM和谷歌开发的量子系统都以宏观量子效应为根基。
可以认为，马丁尼斯的工作推动了科技巨头采用超导电路制造量子比特的趋势。超导量子比特如今已成为全球应用最广泛的量子比特。
马丁尼斯给行业带来的第二次震撼是他领衔谷歌研究团队打造首台实现“量子霸权”的量子计算机：2019年问世的超导量子处理器Sycamore，在近五年时间内都是全球唯一能验证随机量子电路输出的计算机。后来它的纪录被经典计算机超越。
如今年近七旬的马丁尼斯相信超导量子比特有望再创历史。2024年，他联合创立量子计算公司QoLab。据称，QoLab将以全新方式力求实现全行业梦寐以求的目标：真正实用的量子计算机。
近期，马丁尼斯教授接受《新科学家》（
New scientist）杂志专访，以直击技术难点、深入本质细节、切入应用关节的硬核方式，分享了他对量子计算机世界的洞见。
Q：您在职业生涯早期就因做出一些基础性研究成果而被广泛关注。您何时开始意识到自己的实验可能催生新技术？
A：
当时存在一种疑问：宏观变量可否不遵循量子力学规律？或许年长些的学者默认量子力学必然适用，但对于仍是年轻学生、刚接触量子力学的我来说，探寻问题答案的过程将会是一场极为美妙的实验旅程，是对量子力学根基的一次基础验证。
我们首先利用已有技术搭建起一个简陋而快捷的实验装置。到采集数据阶段，实验彻底失败了。好在试错过程很快。我们意识到，要想把实验做成做好，就必须掌握微波工程知识，理解噪声问题，攻克诸多技术环节。当然，解决了一系列问题后，成功来得很快。
以这项成功的实验为基础，我们在此后十年间持续做改进和优化，并开发量子设备。另一方面，量子计算理论取得长足进步，其中肖尔算法(用于分解大数破解密码)尤为关键，纠错算法也很重要。由此，整个领域的地基足够坚实了，研究者终于能构想如何创建实际装置了。与此同时，相关资金开始涌入。
Q：资金支持显著影响了这一领域的研究工作乃至技术的发展进程，对吗？
A：
在1980年代，行业都还未验证单个量子系统能否被准确操控与测量。而过去四十年的发展可谓天翻地覆，如今量子计算已是一片广阔天地！最令人感叹的是，现在有这么多物理学家致力于理解超导系统的量子力学原理，尝试构建量子计算机。
Q：您亲历了量子计算发展的最初阶段。这段经历是否影响了您对领域现状的认识和对未来的展望？
A：
作为全程亲历领域发展的老人，我清楚量子计算的物理学根基。在加州大学圣塔芭芭拉分校团队时，我研制了首批用于量子设备的微波电子系统；加入谷歌后，我又自主建造制冷装置，用以为超导量子计算机提供极低的运行温度。可以说我参与过每个组件的开发。
许多未亲身参与其中的人可能只会乐观地将一切进展视作技术必然，而我知晓各种阻碍进展的问题所在。
归根结底，构建量子计算系统是一套系统工程，在这方面我的优势在于对每个环节的物理原理都有深刻理解。
用于保持量子计算机低温状态的低温恒温器
Q：您认为，量子计算硬件需经历怎样地变革才能真正被应用？哪些技术变化将成为下一次突破的开端？
A：
离开谷歌后，我从整体系统的视角重新思考量子计算机，以及我们需要构建和改进的所有基础要素。
QoLab公司正基于新理念、新方法而创立。我们团队在量子比特的制造工艺上有重大突破，整合各部、搭建系统的方法(尤其是布线方面)亦有革新。
大家意识到，要想实现稳定可靠且低成本的量子计算机技术，开发者必须具有颠覆传统的思维方式。这很难，也很难以被人理解。我们遭遇了超乎预想的质疑和阻力，不过以我数十年物理研究的经验来看，这恰恰意味着我们的思路值得尝试。
Q：我们有时会听到这样一种说法：要打造真正实用、无误差的量子计算机，可能需要数百万个量子比特。如何实现这一目标？
A：
制造方法——尤其是量子芯片的制造工艺——是最关键也最困难的部分。
看看那些巨头，以谷歌、IBM、亚马逊为首的企业现阶段都还用着可能来自20世纪五六十年代的制造技术。我不认为当前还有任何其他行业会用如此老派的方法构建电路。我们的观点是：既然你想打造百万量子比特的系统，那就别走寻常路。
你如果见过超导量子计算机的造型，就知道那简直是一片“丛林”——由大量线路和微波元件构成的丛林。布线始终是超导量子比特领域的核心难点。我们希望解决布线问题，希望从根本上改变设备制造方式，也正努力开发一种能摆脱一切连线的芯片架构。我想把所有要素都塞进这块芯片，同时能把芯片规模往大里扩。
Q：您认为在5年内，会有赢家从这场围绕实用量子计算机的竞赛中脱颖而出吗？
A：
行业正尝试多种多样的方式创建量子计算机。鉴于系统工程层面的制约极为严苛，我认为多元化的探索路径是好事，也乐于看到不同路线都获得资金支持，这样会带来更大创新可能。
但不得不说，面对复杂的限制，面对真正的困难，比如成本控制或规模化生产设备等方面的问题，现有许多项目的确略显……姑且称之为“稚嫩”吧。另一方面，我相信许多研究团队都有解决难题的思路，只是尚未公开而言。
在我看来，QoLab的商业计划有所不同，甚至可能相当独特。我们的理念是积极开放协作、汇聚各方智慧。目前QoLab正与那些懂得如何实现规模化、掌握尖端制造技术的硬件公司合作。
Q：假如此刻就有人给您一台规模巨大且无误差的量子计算机，您最想尝试解决什么问题？
A：
我真正感兴趣的是用量子计算机解决量子化学和量子材料领域的问题。
最近有几篇论文探讨如何用量子计算机辅助核磁共振实验，以求提取更多有用信息；我很喜欢这样的应用尝试。化学与材料的量子问题很难通过经典超级计算机处理，但能在量子计算机上得到本质解决——毕竟这只是将量子问题映射到量子计算系统的过程。
很多人会考虑将量子计算机用于优化问题或所谓的量子人工智能。不过在我看来，那些尝试更像“试试深浅看看效果”的探索。而支撑材料和化学应用的理论具有较高确定性。我们知道需要多大规模的量子计算机，也清楚以现有技术能做出规模够大、运行速度够快的机器。
Q：量子计算机的某些潜在用途早在30多年前就已通过数学方法确定。为何它们至今仍未成为现实？
A：
如果将量子比特的特性抽象、简化，计算机科学家、数学家和理论物理学家都可以参与“如何构建量子计算机”的讨论。
但真实世界的物理难题无法简化，真实的量子比特存在噪声源，例如外部导线产生的热量，或量子比特材料本身的杂质。许多大型量子计算项目由理论派学者主导，这本身没问题，但我们要明白，实际系统很复杂，为系统打造合适硬件的工作也很复杂。
我曾跟随我的研究生导师约翰·克拉克(John Clarke，也是2025年诺贝尔物理学奖得主)学习，对噪声问题有深入认识。这种训练背景对我和我的合作者来说非常宝贵，使我们能以非常“物理”的视角思考量子比特，力求消除导致芯片不可靠的物理噪声机制。
以量子霸权实验为例：设备中存在“二能级态”(two-level states)这类噪声源，为规避噪声，需要开展一些特殊操作；虽然最终可以达成目标，但过程异常棘手，难以扩展规模。
我期待通过现有技术减小甚至消除此类麻烦，而这要求对量子比特设计细节方面深入理解。我们必须兼具硬件基础和应用创意。
资料来源：
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