约翰·马丁尼斯谷歌量子霸权背面的男人

编者按：本文来自微信大众号“造就”（ID：xingshu100），36氪经授权发布。

文字 |田晓娜

校正 | 黄一成

版面 | 尹欢欢

量子力学和相对论，被称为现代物理学的根底。

《复仇者联盟4》上映时，网上流传着这样一个段子：遇事不决，量子力学。

意思是说当剧情BUG太多，圆不回来时，就开端扯薛定谔的猫、量子羁绊、量子动摇等巨大上术语，一堆量子力学的名词扔出来，唬得观众一脸不明觉厉。

从声称直达肌肤底层的量子美颜喷雾、5S升级版量子水杯到想入非非的量子肥料、荒诞的量子动摇速读，好像万事万物皆可量子力学。

量子速读动图

而信仰“寻求永无止境”的谷歌，天然也不会放过量子的早班车。

2019年9月20日，谷歌宣告的一份内部陈述称，谷歌的量子核算机在3分20秒内处理了现在国际上最强壮的超级核算机“Summit”需求1万年才干核算出来的问题，完结了量子霸权。

音讯一经问世，马上引起了全国际的重视。

量子霸权这一概念是2012年约翰·普瑞斯基尔（John Preskill）提出的。它的英文名是“quantum supremacy”，意为“优胜性”。

量子霸权不是针对任何国家、任何种族的霸权，而是指量子核算机凭仗远超经典核算机的优胜功能而具有的霸权，代表量子核算设备在特定测验事例上表现出逾越一切经典核算机的核算才干。

所以与其说谷歌完结了量子霸权，不如说谷歌证明了量子优胜性愈加精确。

谷歌证明了量子核算机的运算速度远超传统核算机，这是量子核算机展开史上的一件里程碑工作。

尽管离量子核算机真实问世还很悠远，但咱们确实迈出了重要的一步，使量子核算从理论走向实践。

而一切这一切成果，都离不开量子霸权背面的男人——约翰·马丁尼斯（John Martinis）。

约翰·马丁尼斯

被一次讲演改动的人生

1981年， 在MIT与IBM联合举行的量子物理核算大会上，被誉为爱因斯坦之后最巨大的科学家理查德·费曼（Richard Feynman）宣告了闻名的《用核算机模仿物理学》的陈述。

陈述中，费曼初次提出了量子核算机的概念（运用粒子的量子特性制作核算机），并敦促科学家们赶快造出一台量子核算机，因为想要模仿量子体系的演化，经典核算机底子无法完结，有必要要用量子体系来模仿。

费曼有一句经典名言：“假如你认为自己懂量子力学，那你是真的不明白量子力学。”

他表明：“我对一切经典理论剖析都不满足，因为天然不是经典的。假如你想模仿天然，你最好把它变成量子力学。”

在经典核算机中，信息存储是经过0和1完结的。0和1的每个单位是比特，每个比特能够被设置成0或1。

量子核算机的基本单位不是比特，而是量子比特。因为量子具有叠加态，量子比特能够是0或1，也能够像薛定谔既死又活的猫相同，一起是0和1两种状况的叠加。

因为量子比特能够表明多种状况，一次运算就能够处理多种状况，所以几十个量子比特的运算力就能超越经典核算机，抱负状况下300个全羁绊状况的量子比特就能够贮存比国际中原子数还多的信息。

比特和量子比特

1987年，刚从加州大学伯克利分校结业的马丁尼斯听了费曼的讲演后，深深地被量子核算机概念招引住了。

马丁尼斯的研讨方向本身也与量子有关，他的博士论文便是对超导体中的量子态进行了开创性研讨。

受费曼的影响和启示，马丁尼斯走上了量子核算机的研讨之路。

他回想道：“对我来说，很明显这是个好主意，这样的研讨会很棒。”

完结量子霸权的Sycamore

2019年，谷歌在Nature 150周年纪念特刊上宣告了名为《运用可编程超导处理器的量子霸权》（Quantum supremacy using a programmable superconducting processor）的文章，正式宣告谷歌完结了量子霸权的音讯。

完结了量子霸权的量子处理器名为“Sycamore”，由54个量子比特的二维阵列组成，每个量子比特可耦合到矩形格子中的4个接近的量子比特。

Sycamore芯片

据报道，Sycamore测验时只要53个量子比特正常作业，但这并不影响Sycamore远超经典核算机的运算才干，在200秒内处理了经典核算机需求10000年才干完结的问题。

在这短短200秒背面，是谷歌13年的尽力。

自2006年谷歌 AI量子团队诞生以来，谷歌就开端了对量子核算机范畴的探究。

2014年，马丁尼斯受邀参加谷歌团队，成为谷歌的量子硬件首席科学家，担任领导量子核算机的硬件及芯片研讨。

事实上，早从上世纪80年代开端，马丁尼斯就一直在从事量子相关研讨。

还在读研讨生时，他就首先展开了超导量子比特的研讨。

2002年以来，他的研讨要点转向运用约瑟夫森结（Josephson junction）制作量子核算机。

2010年，他和搭档观测到的“量子鼓”现象被Science评为2010年最严重的科学打破。

2014年，他因为在量子操控、量子信息处理和具有超导量子位和微波光子的量子光学范畴的突出贡献被颁发了伦敦奖。

2015年，他带领团队研制出首个能检测并纠正其本身过错的量子设备。

……

Sycamore的诞生，离不开马丁尼斯多年以来锲而不舍的研讨。

Sycamore处理器创建了53个量子比特的量子态，态空间维度高达253（约1016）。

从重复试验中得到的丈量成果可作为概率散布的样本，运用经典核算机对其进行验证。

Sycamore处理器需求200秒就可对量子电路采样一百万次，而最新型经典超级核算机大约需求10000年才干完结相同的使命，证明了量子霸权的存在。

Google CEO桑达尔·皮查伊（Sundar Pichai）承受媒体采访时表明：“此次工作就像莱特兄弟创造飞机相同。尽管飞机第一次试飞只飞了12秒钟，看起来没有实践用途，但它证明了飞机飞翔的或许性。”

桑达尔·皮查伊和谷歌的量子处理器

确实，间隔真实制作出量子核算机，咱们或许还需求更多时间，可是谷歌的发现证明了这样的未来是或许完结的。

Sycamore完结了量子霸权，证明咱们正在沿着正确的路途前行，未来可期。

不会退休的物理学家

谷歌完结量子霸权，被许多专家称为量子国际的“Hello World”时间。

“Hello World”是开发人员用来测验体系的第一个程序，初次呈现在1973年出书的《编程言语B教程导论》中。“Hello World”的呈现，标志着核算机年代的正式到来。

只不过这一次，不是“Hello World”，而是“Hello 量子国际”，为咱们知道国际供给了更多或许。

天然界是量子的，量子核算能协助咱们从分子层面上了解和模仿天然界。

从气候变化到各种疾病，量子核算还能够在必定程度上协助处理这些现在最为扎手最为急迫的问题。

不过，间隔量子核算机真实成为实践，咱们还有很长一段路要走。

马提尼斯自己也很清楚，这仅仅一场马拉松的开端，而不是最终的结尾冲刺。

关于量子核算机的未来，他显然有更多主意。

他方案敞开Sycamore供外部研讨人员在云体系上运用，看是否有新的算法能够在Sycamore运转。

此外，因为现在的量子核算过错率十分高，信息的保真度只要0.1％，所以他未来的主要使命是制作更好的量子芯片，能纠正由噪声引起的过错，下降过错率。

他还方案投入更多资源，赶快制作出真实的量子核算机。

“像我这样的物理学家是不会退休的，”他说，“我还有许多工作要做。”