作者 | 施晶晶

編輯 | 向現(xiàn)

2025年的諾貝爾物理學獎再一次花落“量子力學”。

量子力學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”，大廠出現(xiàn)在屏障的輸理另?側(cè)——而今年的諾獎物理學獎得主們讓“量子怪事”出現(xiàn)在肉眼可見的世界里。

獲獎者是諾獎得主40年前的一支“夢之隊”——不是大佬之間聯(lián)手攻關，而是大廠“導師+博士后+博士生”的師門組合。

2025年諾貝爾物理學獎公布現(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，利用超導體構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的大廠運作。

量子物理學雖然神秘，輸理但現(xiàn)實已有諸多應用。

晶體管、半導體芯片是量子技術現(xiàn)有的成熟運用，“我們的發(fā)現(xiàn)是量子計算的基礎……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。

量子力學是所有數(shù)字技術的基礎，但它不止如此。諾貝爾委員會表示，3位獲獎者的工作為開發(fā)下一代量子技術打開了窗口，包括量子密碼學、量子計算機和量子傳感器等。

在3位獲獎者當中，約翰·M·馬蒂尼斯最負盛名。他不只是個實驗物理學家，還是個極其注重應用的技術專家，堪稱“物理學家中的工程師”。

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”，帶領團隊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，而與之分道揚鑣。

從“量子穿墻術”到“量子比特”

在許多采訪當中，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)哲學的書，其核心觀點可以總結為：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到多的復制。

對馬蒂尼斯而言，他在量子物理學的發(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——一個探索超導體的量子特性、風格穩(wěn)健的導師，目睹他對待測量一絲不茍，實驗室里電線盤繞整齊，儀器標簽清晰，他對精準的著迷，讓伯克利的低溫實驗室成為物理學中最精密的測試場所。

也是在這里，馬蒂尼斯認識了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

馬蒂尼斯負責建造、調(diào)試設備，直到它完全按照實驗設計的需求運行，對工程和技術十分敏感。

他們的目標看似簡單：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。

量子力學的奇異之處在于它完全打破了我們對“常識”的認知。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，穿墻術會失效，變得像宏觀世界當中的網(wǎng)球一樣，碰到墻壁就遇阻反彈。

量子力學中的隧道效應

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”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電路，竟然像一個“巨型原子”一樣，展現(xiàn)了量子力學的最奇異特性——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成對）組成的超導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。

在普通的導體中，電子之間會相互碰撞，同時也會與導體材料發(fā)生碰撞。當一種材料變成超導體時，電子會成對結合，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。”這一洞見徹底改變了量子研究，將微觀世界的量子物理學規(guī)則帶入了宏觀世界的電路和電線當中，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。

科學家可以據(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”鋪路。

加入谷歌，證明“量子霸權”

拿了諾貝爾物理學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)團隊的領導者。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，由此實現(xiàn)了“量子霸權”。

Sycamore量子處理器

量子霸權是理論物理學家約翰·普雷斯基爾提出來的說法，說的是：在特定任務上，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)，也震動了整個科學界。許多人曾預計，實現(xiàn)“量子霸權”還需要幾年甚至幾十年的時間。

盡管“量子霸權”這一術語引發(fā)了IBM等競爭對手的非議——認為谷歌夸大了傳統(tǒng)計算機模擬該任務所需的時長，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”的任務必須專門設計，而不是直接解決一個有實際應用價值的問題，主要作用是“概念證明”，證明量子技術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)成功的關鍵。

谷歌量子計算機示意圖

“當我進行基礎研究時，知道最終會有一個應用程序、一個設備或一個系統(tǒng)需要構建，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，這可能會推動從醫(yī)學到材料科學等各個領域的新進展。

“我考慮將它用于量子化學——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。”

1965年諾貝爾物理學獎得主理查德·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，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)パ芯俊！?/p>

他樂觀地認為，量子計算最終將惠及越來越多的人，而量子技術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。我們大概知道這應該可行。”他說。

出走谷歌，實用主義者的分歧

當谷歌宣布實現(xiàn)量子霸權時，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)離領導職位，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雜處境，以及最終決定辭職的原因。

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

馬蒂尼斯的個人研究風格強調(diào)專注于重要問題，就像量子霸權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

“我認為團隊中的人們很難專注于量子霸權，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。”馬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……我認為我在物理學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，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……看到大家的緊張關系，他們（團隊）和管理層認為，最好還是讓我不再領導這個項目”。

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計至關重要，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。我想我知道讓技術朝著明確方向發(fā)展的最佳方法。”馬蒂尼斯坦言，“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。”

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。當時，SQC正專注于擴大其技術平臺，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家兼技術工程師尋找發(fā)揮其天賦、繼續(xù)完成其科學使命的新篇章。

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，還是加入谷歌帶領團隊以實驗證明“量子霸權”，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，用對的技術一起工作。

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