量子力學(xué)和相對(duì)論，被稱為現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。

　　《復(fù)仇者聯(lián)盟4》上映時(shí)，網(wǎng)上流傳著這樣一個(gè)段子：遇事不決，量子力學(xué)。意思是說當(dāng)劇情BUG太多，圓不回來時(shí)，就開始扯薛定諤的貓、量子糾纏、量子波動(dòng)等高大上術(shù)語，一堆量子力學(xué)的名詞扔出來，唬得觀眾一臉不明覺厲。

　　從宣稱直達(dá)肌膚底層的量子美顏噴霧、5S升級(jí)版量子水杯到異想天開的量子肥料、荒唐的量子波動(dòng)速讀，似乎萬事萬物皆可量子力學(xué)。

量子速讀動(dòng)圖

　　而信奉“追求永無止境”的谷歌，自然也不會(huì)放過量子的早班車。

　　2019年9月20日，谷歌披露的一份內(nèi)部報(bào)告稱，谷歌的量子計(jì)算機(jī)在3分20秒內(nèi)解決了目前世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)“Summit”需要1萬年才能計(jì)算出來的問題，實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)。

　　消息一經(jīng)面世，立刻引起了全世界的關(guān)注。

　　量子霸權(quán)這一概念是2012年約翰·普瑞斯基爾（John Preskill）提出的。它的英文名是“quantum supremacy”，意為“優(yōu)越性”。量子霸權(quán)不是針對(duì)任何國(guó)家、任何種族的霸權(quán)，而是指量子計(jì)算機(jī)憑借遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性能而擁有的霸權(quán)，代表量子計(jì)算裝置在特定測(cè)試案例上表現(xiàn)出超越所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。所以與其說谷歌實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)，不如說谷歌證實(shí)了量子優(yōu)越性更加準(zhǔn)確。

　　谷歌證實(shí)了量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，這是量子計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一件里程碑事件。

　　雖然離量子計(jì)算機(jī)真正面世還很遙遠(yuǎn)，但我們的確邁出了重要的一步，使量子計(jì)算從理論走向現(xiàn)實(shí)。而所有這一切成就，都離不開量子霸權(quán)背后的男人——約翰·馬丁尼斯（John Martinis）。

約翰·馬丁尼斯

被演講改變的人生

　　1981年， 在MIT與IBM聯(lián)合舉辦的量子物理計(jì)算大會(huì)上，被譽(yù)為愛因斯坦之后最偉大的科學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）發(fā)表了著名的《用計(jì)算機(jī)模擬物理學(xué)》的報(bào)告。

　　報(bào)告中，費(fèi)曼首次提出了量子計(jì)算機(jī)的概念（利用粒子的量子特性制造計(jì)算機(jī)），并敦促科學(xué)家們盡快造出一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)橄胍M量子系統(tǒng)的演化，經(jīng)典計(jì)算機(jī)根本無法實(shí)現(xiàn)，必須要用量子系統(tǒng)來模擬。

　　費(fèi)曼有一句經(jīng)典名言：“如果你以為自己懂量子力學(xué)，那你是真的不懂量子力學(xué)?！?/p>

　　他表示：“我對(duì)所有經(jīng)典理論分析都不滿意，因?yàn)樽匀徊皇墙?jīng)典的。如果你想模擬自然，你最好把它變成量子力學(xué)?！?/p>

　　在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，信息存儲(chǔ)是通過0和1實(shí)現(xiàn)的。0和1的每個(gè)單位是比特，每個(gè)比特可以被設(shè)置成0或1。

　　量子計(jì)算機(jī)的基本單位不是比特，而是量子比特。因?yàn)榱孔泳哂携B加態(tài)，量子比特可以是0或1，也可以像薛定諤既死又活的貓一樣，同時(shí)是0和1兩種狀態(tài)的疊加。

　　因?yàn)榱孔颖忍乜梢员硎径喾N狀態(tài)，一次運(yùn)算就可以處理多種情況，所以幾十個(gè)量子比特的運(yùn)算力就能超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)，理想狀態(tài)下300個(gè)全糾纏狀態(tài)的量子比特就可以儲(chǔ)存比宇宙中原子數(shù)還多的信息。

比特和量子比特

　　1987年，剛從加州大學(xué)伯克利分校畢業(yè)的馬丁尼斯聽了費(fèi)曼的演講后，深深地被量子計(jì)算機(jī)概念吸引住了。

　　馬丁尼斯的研究方向本身也與量子有關(guān)，他的博士論文就是對(duì)超導(dǎo)體中的量子態(tài)進(jìn)行了開創(chuàng)性研究。受費(fèi)曼的影響和啟發(fā)，馬丁尼斯走上了量子計(jì)算機(jī)的研究之路。

　　他回憶道：“對(duì)我來說，很明顯這是個(gè)好主意。”

實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的Sycamore

　　2019年，谷歌在Nature 150周年紀(jì)念特刊上發(fā)表了名為《使用可編程超導(dǎo)處理器的量子霸權(quán)》（Quantum supremacy using a programmable superconducting processor）的文章，正式宣布谷歌實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)的消息。

　　實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)的量子處理器名為“Sycamore”，由54個(gè)量子比特的二維陣列組成，每個(gè)量子比特可耦合到矩形格子中的4個(gè)臨近的量子比特。

Sycamore芯片

　　據(jù)報(bào)道，Sycamore測(cè)試時(shí)只有53個(gè)量子比特正常工作，但這并不影響Sycamore遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，在200秒內(nèi)解決了經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要10000年才能完成的問題。

　　在這短短200秒背后，是谷歌13年的努力。

　　自2006年谷歌AI量子團(tuán)隊(duì)誕生以來，谷歌就開始了對(duì)量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的探索。2014年，馬丁尼斯受邀加入谷歌團(tuán)隊(duì)，成為谷歌的量子硬件首席科學(xué)家，負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的硬件及芯片研究。

　　事實(shí)上，早從上世紀(jì)80年代開始，馬丁尼斯就一直在從事量子相關(guān)研究。還在讀研究生時(shí)，他就率先開展了超導(dǎo)量子比特的研究：

　　2002年以來，他的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向利用約瑟夫森結(jié)（Josephson junction）建造量子計(jì)算機(jī)；

　　2010年，他和同事觀測(cè)到的“量子鼓”現(xiàn)象被Science評(píng)為2010年最重大的科學(xué)突破；

　　2014年，他因?yàn)樵诹孔涌刂?、量子信息處理和具有超?dǎo)量子位和微波光子的量子光學(xué)領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)被授予了倫敦獎(jiǎng)；

　　2015年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出首個(gè)能檢測(cè)并糾正其自身錯(cuò)誤的量子裝置……

　　Sycamore的誕生，離不開馬丁尼斯多年以來持之以恒的研究。

　　Sycamore處理器創(chuàng)建了53個(gè)量子比特的量子態(tài)，態(tài)空間維度高達(dá)253（約1016）。從重復(fù)實(shí)驗(yàn)中得到的測(cè)量結(jié)果可作為概率分布的樣本，使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

　　Sycamore處理器需要200秒就可對(duì)量子電路采樣一百萬次，而最新型經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)大約需要10000年才能完成同樣的任務(wù)，證實(shí)了量子霸權(quán)的存在。

　　Google CEO桑達(dá)爾·皮查伊（Sundar Pichai）接受采訪時(shí)表示：“此次事件就像萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)一樣。雖然飛機(jī)第一次試飛只飛了12秒鐘，看起來沒有實(shí)際用處，但它證明了飛機(jī)飛行的可能性?！?/p>

桑達(dá)爾·皮查伊和谷歌的量子處理器

　　的確，距離真正制造出量子計(jì)算機(jī)，我們可能還需要更多時(shí)間，但是谷歌的發(fā)現(xiàn)證明了這樣的未來是可能實(shí)現(xiàn)的。

　　Sycamore實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)，證明我們正在沿著正確的道路前行，未來可期。

?不會(huì)退休的物理學(xué)家

　　谷歌實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，被許多專家稱為量子世界的“Hello World”時(shí)刻。

　　“Hello World”是開發(fā)人員用來測(cè)試系統(tǒng)的第一個(gè)程序，首次出現(xiàn)在1973年出版的《編程語言B教程導(dǎo)論》中?！癏ello World”的出現(xiàn)，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)時(shí)代的正式到來。

　　只不過這一次，不是“Hello World”，而是“Hello 量子世界”，為我們認(rèn)識(shí)世界提供了更多可能。

　　自然界是量子的，量子計(jì)算能幫助我們從分子層面上理解和模擬自然界。從氣候變化到各種疾病，量子計(jì)算還可以幫助解決這些目前最為棘手最為緊迫的問題。

　　不過，距離量子計(jì)算機(jī)真正成為現(xiàn)實(shí)，我們還有很長(zhǎng)一段路要走。馬提尼斯自己也很清楚，這只是一場(chǎng)馬拉松的開始，而不是最后的終點(diǎn)沖刺。

　　對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的未來，他顯然有更多想法。他計(jì)劃開放Sycamore供外部研究人員在云系統(tǒng)上使用，看是否有新的算法可以在Sycamore運(yùn)行。

　　此外，由于現(xiàn)在的量子計(jì)算錯(cuò)誤率非常高，信息的保真度只有0.1％，所以他未來的主要任務(wù)是制造更好的量子芯片，能糾正由噪聲引起的錯(cuò)誤，降低錯(cuò)誤率。

　　他還計(jì)劃投入更多資源，盡快制造出真正的量子計(jì)算機(jī)。

　　“像我這樣的物理學(xué)家是不會(huì)退休的，”他說，“我還有很多事情要做?！?/p>