《新科學家》的瑞安·威爾斯；阿拉米
約翰·馬蒂尼斯 (John Martinis) 是硬件專家。與教科書上的理想化世界相比，他更喜歡實驗室裡粗糙的物理學。但如果沒有他，就不可能寫出有關量子計算歷史的書籍：他在該領域的兩個最重要的時刻發揮了核心作用。而他也為了下一個目標而努力奮鬥。
這一切都始於 20 世紀 80 年代，當時馬蒂尼斯和他的同事進行了一系列實驗，探索量子效應的已知邊界——他去年因此獲得了諾貝爾獎。當他還是加州大學伯克利分校的研究生時，我們知道亞原子粒子會受到量子效應的影響，但問題是量子力學的世界是否可以擴展到更大的尺度。
馬蒂尼斯和他的同事構建並研究了由超導體和絕緣體混合物製成的電路，他們發現電路中的許多帶電粒子的行為就像單個量子粒子一樣。這是宏觀量子性，它為迄今為止一些最強大的量子計算機奠定了基礎，包括目前由 IBM 和谷歌支持的量子計算機。事實上，馬蒂尼斯的工作開啟了科技巨頭使用量子位或由超導電路製成的量子位的趨勢，這是當今世界上使用最廣泛的量子位。
馬蒂尼斯第二次震撼這個領域，他帶領谷歌研究團隊創建了量子計算機，首次實現了“量子霸權”。近五年來，它是世界上唯一一台可以檢查隨機量子電路輸出的計算機，無論是量子計算機還是其他計算機。後來被經典計算機超越。
現在，在他 70 歲生日即將到來之際，馬蒂尼斯認為他可以利用超導量子位取得另一場歷史性勝利。 2024 年，他與他人共同創立了量子計算公司 QoLab，他表示這家公司將採用一種全新的方法來嘗試創造該領域每個人都在追逐的東西：真正實用的量子計算機。
Carmela Padavik-Callaghan：您在職業生涯早期做了一些非常基礎的工作，從而引起了轟動。您什麼時候開始意識到您的實驗可能會帶來新技術的創造？
約翰·馬蒂尼斯：問題是宏觀變量是否可以逃避量子力學，而我，因為年輕，剛剛學習量子力學，感覺這是我們需要測試的東西。也許如果你年紀大一些，你就會簡單地認為量子力學是有效的。但當我還是個年輕的學生時，這似乎是一個從根本上測試量子力學的奇妙實驗。
我們做的第一件事是利用現代技術進行了一次非常粗略且快速的實驗。當我們收集數據時，實驗徹底失敗了。但我們能夠很快失敗，所以這並不重要。畢竟，這是一個了解微波技術的實驗。我們必須理解噪音，我們必須做很多技術性的事情，但在那之後（成功）來得很快。
在那之後的頭十年裡，我們進行了這個實驗並創建了量子設備。我想說，後來量子計算理論取得了顯著進步，尤其是肖爾算法（它考慮到大量數據來破解密碼學），以及不久之後的糾錯（算法）。這為該領域奠定了堅實的基礎。現在人們可以想像正在建造一些東西。由此，資金出現了。
資金如何改變研究並最終改變技術？
自20世紀80年代以來，情況確實發生了變化。當時，人們甚至還沒有測試過單個量子系統是否可以被正確操縱和測量。我想知道過去 40 年事情發生了什麼。量子計算已經發展成為一個巨大的領域！所有這一切最令人自豪的是，現在有如此多的物理學家致力於了解這些超導系統的量子力學並建造量子計算機。
您參與了量子計算的誕生。這如何幫助您了解該領域目前的發展方向？
在這個領域不斷工作，我了解了物理學的基礎知識。我在加州大學聖巴巴拉分校的團隊中建造了第一個用於（量子設備）的微波電子設備，然後在谷歌，我建造了自己的低溫恆溫器（將超導量子計算機冷卻到其運行所需的極低溫度的設備）。我參與了每個元素的製作。我認為很多人，如果沒有經歷過這一切，就會對我們繼續前進持樂觀態度。我知道所有的問題出在哪裡。如果你想構建一個非常複雜的計算系統，那麼這就是系統工程，我認為我的優勢在於我非常了解一切的基本物理原理。
用於冷卻量子計算機的低溫恆溫器
Mattia Balsamini/對比色/眼藤
您認為量子計算硬件必須如何改變才能使量子計算機變得有用和實用？您認為哪些變化將作為下一次突破的開始？
離開谷歌后，我開始將量子計算機視為一個整體系統，並重新思考我們實際需要創建和改進的所有基礎知識。 QoLab 以此為基礎，對我們創建量子位的方式（在製造技術方面）以及如何將它們組合在一起（尤其是在佈線方面）進行了相當大的改變。
我們意識到，我們需要考慮以完全不同的方式構建量子計算機，以使技術可靠並降低成本。它很複雜，人們很難理解。我們遇到了數量驚人的反對和懷疑，但根據我多年的物理學經驗，這意味著我們有一個好主意。
我們有時聽說要創建一台真正有用的無差錯量子計算機，它需要大量的量子位，以百萬計。你將如何到達那裡？
從我們要突破的地方來說，是製造，特別是量子芯片的製造，這也是最難的部分。如果你看看每個人都在做什麼——谷歌、IBM、亞馬遜和許多其他公司——他們正在使用，我不知道，大約是 20 世紀 50 年代或 60 年代的製造技術。據我所知，目前還沒有其他行業使用這些方法構建實際電路。所以我們認為，如果你想創建一百萬個量子位並使其可靠，你需要做其他事情。
我們對如何從根本上改變這些設備的構建方式感到非常興奮。我們的芯片架構將幫助您擺脫所有電線。如果你看一張（超導）量子計算機的圖片，你會發現它只是一片電線和微波組件的叢林。我想把它全部放在一個芯片上，並且能夠擴展它。在超導量子位中，一個大問題是佈線問題，我們正在努力解決它。
您認為五年後實用量子計算機的競賽中會有明顯的獲勝者嗎？
人們嘗試通過多種不同的方式構建量子計算機，並且考慮到系統工程的限制非常困難，我認為這個問題值得通過多種不同的方式來解決。我認為很多不同的想法得到資助是件好事，因為這樣人們就有更好的機會取得突破。但當我想到這些限制時，我通常會說，許多項目對於滿足這些限制實際上需要什麼（例如管理成本或大規模生產設備）有點天真。另一方面，我確信許多研究小組都有解決一些他們不公開談論的設計問題的想法。
我認為 QoLab 的商業計劃有點不同，甚至可能是獨一無二的，因為我們擁抱合作，因為我們覺得我們需要所有的專業知識。我們與知道如何擴展和處理複雜製造的設備製造公司合作。
如果明天有人給你一台非常大且無錯誤的量子計算機，你會首先嘗試什麼？
我對使用量子計算機解決量子化學和量子材料中的問題非常感興趣。最近有幾篇關於使用這種方法來幫助（提取更多有用信息）化學核磁共振（NMR）實驗的文章，我真的很喜歡它作為初步應用。由於量子力學的基本困難，這個量子問題很難在經典超級計算機上解決。但這個問題當然可以通過量子計算機從根本上解決——你只需將量子問題映射到量子計算機上即可。我對此感到興奮，部分原因是我喜歡對如何構建（設備）有某些想法，並且人們已經開發了某些算法來實現（例如改進 NMR 等應用程序）。
許多人可能會考慮進入優化問題和量子人工智能等領域。對我來說，這更多的是“嘗試一下，看看是否有效”。材料和化學使用背後的理論要具體得多。我們知道量子計算機需要有多大。我認為我們可以建造這台機器，無論是在尺寸上還是在執行速度上。
量子計算機的一些潛在應用早在 30 多年前就已通過數學方法被確定。為什麼它們還沒有成為現實？
你可以從量子位的行為中抽像出來，想像如何構建一台量子計算機，這很棒，因為這樣計算機科學家、數學家和理論家就會思考它。但這裡真正的問題是，真正的量子位具有噪聲源（例如來自外部電線的熱量或量子位自身材料中的雜質）以及物理性質的問題。量子計算領域的許多重大進展都是由理論家完成的，這很好，但真實的系統要復雜得多，就像製造能夠正常工作的硬件所需的那樣。
約翰·克拉克（我的主管）小組教我如何理解噪音。這種經驗對我和與我一起工作的人來說非常有用，因為我們以非常物理的方式思考量子位，試圖擺脫使芯片不可靠的物理噪聲機制。這正是量子霸權實驗所發生的情況； （一些噪音來自這樣的事實）您的設備具有這些“兩級狀態”，並且您可以操縱它來避免它們。你可以讓它發揮作用，但這真的很痛苦，而且很難擴展。我希望我們（現在）消除或減少這種影響。要理解這一點，您必須深入研究量子位設計的細節。
問題是你需要同時擁有硬件和應用程序的想法，我認為我們需要在所有領域使硬件變得更好。這就是我關注的重點。
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