作者 | 施晶晶

編輯 | 向現(xiàn)

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)講的大廠是微觀世界的規(guī)律，電子、輸理原子這些小東西會做一些看似“違背常識”的諾獎得主事情，比如單個粒?有時會施展“穿墻術(shù)”，大廠出現(xiàn)在屏障的輸理另?側(cè)——而今年的諾獎物理學(xué)獎得主們讓“量子怪事”出現(xiàn)在肉眼可見的世界里。

獲獎?wù)呤侵Z獎得主40年前的一支“夢之隊”——不是大佬之間聯(lián)手攻關(guān)，而是大廠“導(dǎo)師+博士后+博士生”的師門組合。

2025年諾貝爾物理學(xué)獎公布現(xiàn)場 / 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歲的大廠米歇爾·H·德沃雷特，27歲的輸理約翰·M·馬蒂尼斯，利用超導(dǎo)體構(gòu)成的諾獎得主電子電路進行了一系列實驗，在宏觀尺度上揭示了量子物理學(xué)的大廠運作。

量子物理學(xué)雖然神秘，輸理但現(xiàn)實已有諸多應(yīng)用。

晶體管、半導(dǎo)體芯片是量子技術(shù)現(xiàn)有的成熟運用，“我們的發(fā)現(xiàn)是量子計算的基礎(chǔ)……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(xiàn)場接受電話采訪時說。

量子力學(xué)是所有數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)，但它不止如此。諾貝爾委員會表示，3位獲獎?wù)叩墓ぷ鳛殚_發(fā)下一代量子技術(shù)打開了窗口，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?dāng)中，約翰·M·馬蒂尼斯最負盛名。他不只是個實驗物理學(xué)家，還是個極其注重應(yīng)用的技術(shù)專家，堪稱“物理學(xué)家中的工程師”。

約翰·M·馬蒂尼斯

從博士開始，他就以極高的專注度深耕量子計算，為谷歌證明了“量子霸權(quán)”，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(biāo)，而與之分道揚鑣。

從“量子穿墻術(shù)”到“量子比特”

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

這是一本商業(yè)哲學(xué)的書，其核心觀點可以總結(jié)為：未來的進步在于“垂直進步”，即從0到1的創(chuàng)造，而非“水平進步”，即從1到多的復(fù)制。

對馬蒂尼斯而言，他在量子物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)與實踐也是從零到一的過程。

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

時年27歲的馬蒂尼斯師從克拉克——一個探索超導(dǎo)體的量子特性、風(fēng)格穩(wěn)健的導(dǎo)師，目睹他對待測量一絲不茍，實驗室里電線盤繞整齊，儀器標(biāo)簽清晰，他對精準(zhǔn)的著迷，讓伯克利的低溫實驗室成為物理學(xué)中最精密的測試場所。

也是在這里，馬蒂尼斯認(rèn)識了32歲的博士后研究員米歇爾·H·德沃雷特，后者喜歡問“如果……會怎樣？”——這個問題能激發(fā)新的想法，也能讓實驗在無數(shù)次失敗后依然保持活力。

米歇爾·H·德沃雷特

馬蒂尼斯負責(zé)建造、調(diào)試設(shè)備，直到它完全按照實驗設(shè)計的需求運行，對工程和技術(shù)十分敏感。

他們的目標(biāo)看似簡單：探究宏觀系統(tǒng)是否能像量子系統(tǒng)一樣運作。

他們的發(fā)現(xiàn)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(rèn)知。在微觀世界中，粒子可以在沒有足夠能量的情況下，穿越一個原本不可能跨越的障礙。這個看似“不可能”的現(xiàn)象被科學(xué)家們稱為量子隧穿，它使得電子、原子等微小粒子能夠?qū)崿F(xiàn)“穿墻”——出現(xiàn)在屏障的另一側(cè)。

然而隨著量子規(guī)模擴大到一定值，穿墻術(shù)會失效，變得像宏觀世界當(dāng)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(yīng)

而在實驗室里，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(zhuǎn)化為可以在肉眼可見的世界中觀察到的現(xiàn)象。

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

由數(shù)十億個協(xié)同作用的庫珀對（注：兩個電子在特定條件下結(jié)成對）組成的超導(dǎo)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——這就像電路穿過了一堵看不見的墻。

在普通的導(dǎo)體中，電子之間會相互碰撞，同時也會與導(dǎo)體材料發(fā)生碰撞。當(dāng)一種材料變成超導(dǎo)體時，電子會成對結(jié)合，形成庫珀對，并且形成一種沒有電阻的電流。庫珀對可以表現(xiàn)得像一個單一的粒子，充滿了整個電路

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隨著規(guī)模的擴大而消失?！边@一洞見徹底改變了量子研究，將微觀世界的量子物理學(xué)規(guī)則帶入了宏觀世界的電路和電線當(dāng)中，不僅打破了微觀與宏觀之間的界限，還為量子計算機的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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

加入谷歌，證明“量子霸權(quán)”

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(dǎo)者。2014年，他帶著團隊加入了谷歌量子人工智能實驗室，著手開發(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(biāo)志性的論文，宣布Sycamore在約200秒內(nèi)完成了一項經(jīng)典超級計算機需要1萬年才能完成（或?qū)嶋H上無法在合理時間內(nèi)完成）的計算任務(wù)，由此實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

Sycamore量子處理器

量子霸權(quán)是理論物理學(xué)家約翰·普雷斯基爾提出來的說法，說的是：在特定任務(wù)上，量子計算機的性能壓倒性地超越了傳統(tǒng)計算機，甚至超越了傳統(tǒng)超級計算機。概括地說，就是證明量子機器能做傳統(tǒng)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)，也震動了整個科學(xué)界。許多人曾預(yù)計，實現(xiàn)“量子霸權(quán)”還需要幾年甚至幾十年的時間。

盡管“量子霸權(quán)”這一術(shù)語引發(fā)了IBM等競爭對手的非議——認(rèn)為谷歌夸大了傳統(tǒng)計算機模擬該任務(wù)所需的時長，聲稱優(yōu)化算法可以在更短的時間內(nèi)完成——但馬蒂尼斯團隊的實驗仍被認(rèn)為是量子計算從理論走向工程實踐的里程碑。

然而，“量子霸權(quán)”的任務(wù)必須專門設(shè)計，而不是直接解決一個有實際應(yīng)用價值的問題，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。

馬蒂尼斯也不滿足于此，而是構(gòu)建能夠真正幫助人類的量子計算機，他知道，實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(dāng)我進行基礎(chǔ)研究時，知道最終會有一個應(yīng)用程序、一個設(shè)備或一個系統(tǒng)需要構(gòu)建，這對我來說非常有益。對我來說，這是一個自然而然的過程，我會從最基本的問題開始認(rèn)真思考，到底我們需要知道什么才能真正讓某個東西發(fā)揮作用？”馬蒂尼斯受訪時說。

他補充說，量子計算機實際上有很多實際應(yīng)用。量子計算機的一個實際用途是幫助研究人員更好地理解化學(xué)，這可能會推動從醫(yī)學(xué)到材料科學(xué)等各個領(lǐng)域的新進展。

“我考慮將它用于量子化學(xué)——這實際上是理查德·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原子相互作用的物理過程，”馬丁尼斯說，“這是一個經(jīng)典難題，你可以利用量子計算機的強大功能來解決這個問題?！?/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(xù)能源技術(shù)，例如更高效的電池，“更好的電池可能會真正改變世界經(jīng)濟”。又或者是優(yōu)化飛機航線和資源路線，“哪怕是比現(xiàn)在好5%或10%的解決方案，也足以為企業(yè)節(jié)省大量的資金和成本。這真的很有趣，值得人們?nèi)パ芯?。?/p>

他樂觀地認(rèn)為，量子計算最終將惠及越來越多的人，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。

“我的希望和夢想是，如果我們能建造一臺量子計算機，就能真正開始解決這些實際的問題。我們大概知道這應(yīng)該可行。”他說。

出走谷歌，實用主義者的分歧

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

此后僅僅過了半年，馬蒂尼斯意外地從谷歌辭職。

在此期間，他被調(diào)離領(lǐng)導(dǎo)職位，降為顧問，最終馬蒂尼斯離開了谷歌。

他對媒體描述了自己的復(fù)雜處境，以及最終決定辭職的原因。

他透露幾年來，他所領(lǐng)導(dǎo)的硬件團隊內(nèi)部一直關(guān)系緊張，起點就是他們提出要進行量子霸權(quán)實驗的時候。

馬蒂尼斯的個人研究風(fēng)格強調(diào)專注于重要問題，就像量子霸權(quán)實驗就是一個里程碑，極具挑戰(zhàn)性但在他看來仍然可行。但對團隊而言，專注卻很難。

馬蒂尼斯在谷歌實驗室前

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

矛盾的是，“一旦我們實現(xiàn)了量子霸權(quán)，就不需要那么高度的專注了，大家自然會想要更多的獨立性……看到大家的緊張關(guān)系，他們（團隊）和管理層認(rèn)為，最好還是讓我不再領(lǐng)導(dǎo)這個項目”。

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

在這個環(huán)節(jié)里，以可擴展且成本合理的方式進行設(shè)計至關(guān)重要，馬蒂尼斯與一位“沒有實驗經(jīng)驗的理論家”意見相左。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(zhuǎn)而和管理層哈特·穆特討論，希望放棄一個在他看來沒有意義的項目，但沒有得到支持，哈特·穆特希望繼續(xù)嘗試兩個項目。

哈特穆特

“我覺得這整整一年的過程讓我非常不舒服，我實在無法承受，因為我長期以來一直在做硬件方面的決策。我想我知道讓技術(shù)朝著明確方向發(fā)展的最佳方法?！瘪R蒂尼斯坦言，“我很難過，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(dāng)時，SQC正專注于擴大其技術(shù)平臺，推進商用量子計算機，而那正是馬蒂尼斯在谷歌時一心想做的。

“我選擇來到SQC，是因為他們看重原子級制造的獨特方法。世界上沒有其他人能做到他們的能力。”馬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想。如果我們能夠成功大規(guī)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，將對人類產(chǎn)生深遠的影響。”

量子計算初創(chuàng)公司SQC團隊

馬蒂尼斯的離職不是一個失意敗走的故事，而是一位實驗物理學(xué)家兼技術(shù)工程師尋找發(fā)揮其天賦、繼續(xù)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的電話里，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、朝著一個目標(biāo)各自貢獻的時光。

盡管離開谷歌，另行打造一臺量子計算機充滿挑戰(zhàn)，但他說自己享受奔著一個明確的目標(biāo)而思考的過程——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。

在電話最后，馬蒂尼斯概括自己沿著“量子計算”一路向前的職業(yè)生涯。

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