约翰·马丁尼斯（John M.Martinis），2025年诺贝尔物理学奖得主，量子计算领域的“实验狂人”与硬件先驱。不同于理论学者对理想化模型的深耕，他始终扎根物理实验室，深耕实质问题与关键细节，用一系列实验突破、理论洞见和工程硕果，书写了量子计算历史上最壮阔的篇章——量子计算领域两大里程碑式时刻，均由他主导缔造。从奠定超导量子比特的基础，到打造首台实现“量子霸权”的计算机，再到如今重启征程冲击实用化量子计算机，马丁尼斯的每一步，都在为量子计算的未来破局。

近期，这位年近七旬的科学家接受《新科学家》（New Scientist）杂志专访，以直击技术难点、深入本质细节、切入应用关节的硬核视角，拆解量子计算的现状与困境，揭秘其未来突破的核心密码——一场围绕硬件的工业革命，正在悄然酝酿。

初心与积淀：从基础实验到量子计算的“奠基者”

马丁尼斯与量子计算的缘分，始于上世纪80年代加州大学伯克利分校的研究生时期。彼时，学界早已明确亚原子粒子会受量子效应影响，但一个关键疑问始终悬而未决：量子力学世界能否扩展至更宏观的尺度？

“对当时还是年轻学生的我来说，探寻这个问题的答案，是一场极为美妙的实验旅程，更是对量子力学根基的一次基础验证。”马丁尼斯在专访中回忆道。最初，他与同事利用已有技术搭建了简陋的实验装置，却在数据采集阶段遭遇彻底失败。但快速的试错让他们意识到，要攻克这一难题，必须掌握微波工程知识、破解噪声困扰，逐一攻克各类技术壁垒——而这些早年积累的工程经验，也成为他日后深耕量子硬件的核心优势。

功夫不负有心人，他们最终构建并研究出由超导体和绝缘体混合制成的电路，首次证实电路中许多带电粒子的表现如同一个统一的量子粒子，这便是“量子宏观效应”（macroscopic quantumness）。这一突破不仅为马丁尼斯赢得了2025年诺贝尔物理学奖，更奠定了全球最强量子计算机的技术根基——如今IBM、谷歌等科技巨头开发的量子系统，均以量子宏观效应为核心基础。

此后十年，马丁尼斯团队持续优化实验技术、开发量子设备，而量子计算理论也同步飞速发展，肖尔算法（用于分解大数破解密码）、纠错算法等关键理论的突破，为领域发展筑牢了地基，也吸引了大量资金涌入。“当理论足够坚实、技术足够成熟，我们终于能构想如何创建真正的量子计算装置。”马丁尼斯表示。

他给行业带来的第二次震撼，来自谷歌时期的突破性成果——2019年，他领衔团队打造出超导量子处理器Sycamore，这是全球首台实现“量子霸权”的量子计算机，在近五年时间里，始终是唯一能验证随机量子电路输出的设备（后其纪录被经典计算机超越）。这场突破，让量子计算从“理论构想”真正走向“实验验证”，也让超导量子比特成为全球应用最广泛的量子比特类型。

现状与困境：硬件瓶颈，是实用化的最大“拦路虎”

作为全程亲历量子计算发展的“过来人”，马丁尼斯对领域现状有着极为清醒的认知。“许多未亲身参与其中的人，可能只会乐观地将一切进展视作技术必然，但我知晓各种阻碍进展的问题所在。”他坦言，构建量子计算系统本质上是一套复杂的系统工程，而他的核心优势，便是对每个环节的物理原理都有着深刻理解——从加州大学圣塔芭芭拉分校时期研制首批量子设备微波电子系统，到谷歌时期自主建造超导量子计算机所需的低温恒温器，他几乎参与过量子计算机每个组件的开发。

在他看来，量子计算至今未能实现实用化，核心瓶颈始终在硬件——而非理论。“量子计算机的某些潜在用途，早在30多年前就已通过数学方法确定，但真实世界的物理难题无法简化。”马丁尼斯指出，真实的量子比特存在诸多噪声源，比如外部导线产生的热量、量子比特材料本身的杂质，这些看似微小的问题，却会严重影响量子计算的稳定性和准确性。

更关键的是，当前量子计算的制造工艺仍停留在“老派”阶段。“以谷歌、IBM、亚马逊为首的科技巨头，现阶段所用的制造技术，甚至可能源自20世纪五六十年代。我不认为当前还有任何其他行业，会用如此老派的方法构建电路。”马丁尼斯直言，这种落后的制造方式，根本无法支撑大规模量子比特的需求——业界普遍认为，要打造真正实用、无误差的量子计算机，可能需要数百万个量子比特，而现有工艺连这一目标的门槛都难以触及。

布线难题，更是超导量子比特领域的“心腹大患”。“如果你见过超导量子计算机的造型，就知道那简直是一片‘丛林’——由大量线路和微波元件构成的丛林。”马丁尼斯形象地描述道。复杂的布线不仅会增加噪声干扰，还会限制芯片规模的扩大，成为制约量子计算规模化发展的核心障碍。值得注意的是，国内学界也在积极攻克这一难题，清华大学邓东灵课题组与浙江大学相关研究组合作，在名为“昆仑”的32比特超导量子芯片上引入长程耦合结构和空气桥跨越技术，有效解决了布线交叉与寄生耦合问题，为布线优化提供了新路径。

此外，成本控制与规模化生产，也是当前量子计算产业面临的重要困境。“面对复杂的限制，面对真正的困难，比如成本控制或规模化生产设备等方面的问题，现有许多项目的确略显‘稚嫩’。”马丁尼斯坦言，尽管行业内有不少研究团队可能掌握了解决难题的思路，但尚未公开落地，多元化的探索路径虽值得鼓励，但仍需突破工程化落地的瓶颈。

破局与未来：硬件工业革命，是唯一出路

正是看到了硬件领域的诸多困境，2024年，马丁尼斯联合创立量子计算公司QoLab，力求以全新方式，实现全行业梦寐以求的目标——打造真正实用的量子计算机。“离开谷歌后，我从整体系统的视角重新思考量子计算机，以及我们需要构建和改进的所有基础要素。”他表示，QoLab的核心突破口，就是量子计算的硬件革新。

“要想实现稳定可靠且低成本的量子计算机技术，开发者必须具有颠覆传统的思维方式。”马丁尼斯强调，这种颠覆式思路虽遭遇了超乎预想的质疑和阻力，但以他数十年的物理研究经验来看，“这恰恰意味着我们的思路值得尝试”。目前，QoLab团队已在量子比特的制造工艺上取得重大突破，在系统整合、尤其是布线方面也实现了革新，正全力开发一种能摆脱一切连线的芯片架构——“我想把所有要素都塞进这块芯片，同时能把芯片规模往大里扩”。

不同于许多企业“闭门造车”的模式，QoLab选择了开放协作的路径。“我们的理念是积极开放协作、汇聚各方智慧。”马丁尼斯介绍，目前公司正与那些懂得如何实现规模化、掌握尖端制造技术的硬件公司合作，希望借助多方力量，共同推动量子计算硬件的工业革命。这种开放协作的思路，也与国内学界的探索不谋而合，清华大学、浙江大学等科研机构通过跨团队合作，在量子纠错、芯片制造等领域实现了重要突破，印证了协作创新的价值。

当被问及“5年内是否会有赢家从实用量子计算机的竞赛中脱颖而出”时，马丁尼斯保持了审慎乐观的态度。“行业正尝试多种多样的方式创建量子计算机，多元化的探索路径是好事，也乐于看到不同路线都获得资金支持，这样会带来更大创新可能。”他认为，QoLab的商业计划具有独特性，开放协作的模式的或许能成为破局的关键，但量子计算的实用化，仍需要整个行业共同突破硬件瓶颈。

应用展望：量子化学，是最确定的突破方向

如果此刻就能拥有一台规模巨大且无误差的量子计算机，马丁尼斯最想尝试解决的，是量子化学和量子材料领域的问题。“化学与材料的量子问题很难通过经典超级计算机处理，但能在量子计算机上得到本质解决——毕竟这只是将量子问题映射到量子计算系统的过程。”他解释道。

马丁尼斯透露，他近期关注到几篇论文，探讨如何用量子计算机辅助核磁共振实验，以求提取更多有用信息，“我很喜欢这样的应用尝试”。在他看来，相较于量子优化、量子人工智能等领域的探索，量子化学与量子材料领域的应用，有着更高的理论确定性——“我们知道需要多大规模的量子计算机，也清楚以现有技术能做出规模够大、运行速度够快的机器”。

而这一切的前提，仍是硬件的突破。“我们必须兼具硬件基础和应用创意。”马丁尼斯强调，只有先通过硬件工业革命，解决噪声、布线、规模化制造等核心难题，量子计算机才能真正发挥其价值，在量子化学、量子材料等领域实现突破性应用，进而推动整个科技产业的变革。

结语：以硬件革新，叩响量子时代的大门

从研究生时期的基础实验，到诺奖级别的重大突破；从主导“量子霸权”的实现，到重启征程冲击实用化目标，马丁尼斯的一生，都在与量子比特打交道，都在为量子计算的未来铺路。在他的认知里，量子计算机的未来，从来不在理想化的理论模型中，而在实验室的每一次试错里，在硬件制造的每一次革新中。

当前，量子计算产业正处于“黎明前的黑暗”，硬件瓶颈尚未突破，实用化目标仍需跨越诸多障碍，但马丁尼斯与QoLab的探索，以及全球学界、产业界的共同努力，正为这场变革注入力量。随着硬件工业革命的推进，当噪声被驯服、布线难题被破解、规模化制造成为可能，量子计算机终将走出实验室，走进现实，解锁一个全新的科技时代。

正如马丁尼斯所言，量子计算的发展，从来不是一蹴而就的，需要一代又一代人的深耕细作。而这场围绕硬件的工业革命，便是叩响量子时代大门的关键一步——唯有突破硬件瓶颈，才能让量子计算机的潜在价值，真正照进现实。

资料来源：《新科学家》（New Scientist）专访、清华大学交叉信息研究院研究成果