“谷歌量子霸权之父”获得第七届贝尔奖

Original 光子盒研究院光子盒 2021-12-15

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约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）是一位英国物理学家，他在1964年提出著名的“贝尔不等式”，终结了玻尔-爱因斯坦之争，证明了量子力学的非局域性。

贝尔于1990年去世，为了纪念这位量子力学先驱，2009年由多伦多大学量子信息和量子控制中心(CQIQC)资助和管理的贝尔奖正式设立，逢奇数年颁发，旨在表彰与量子力学基础及其理论应用相关的重大进展，包括但不限于量子信息论、量子计算、量子基础、量子密码和量子控制。

美国加州大学圣塔芭芭拉分校物理学教授约翰·马丁尼斯（John Martinis）凭借其在超导器件的设计和控制方面的创新，特别是他在设计低错误多量子比特超导芯片方面的领导作用，获得了第七届贝尔量子力学及其应用的基础研究奖。他的研究促成了第一个“量子霸权”实验，从而开创了计算的新时代。

约翰·马丁尼斯

自1985年在加州大学伯克利分校攻读博士学位以来，约翰·马丁尼斯就对相干超导器件进行了开创性的研究。这些超导器件可以通过使用约瑟夫森结、电容器和电感器作为组件建模为集总元件电路。横跨约瑟夫森结的超导相可以显示相干量子行为——尽管这是大量电子的波函数的性质——这一事实可以被视为一个基本发现，回顾起来，这是超导量子计算领域的起点。

约翰·马丁尼斯发明并发展了基于电流偏置约瑟夫森结的超导相位量子比特，目的是实现可扩展的多量子比特量子计算。2002年，他首次展示了这种超导相位量子比特的相干拉比振荡和量子测量。他对了解超导电路中的噪声来源有着长期的兴趣，因为这些噪声源会自然限制量子比特的相干性。特别是，他通过简单的物理模型对诸如电介质损耗、通量噪声以及准粒子动力学的噪声源的理解在该领域中发挥了重要作用。

对于超导量子器件的未来，准粒子的相关效应和缓解错误的能力以及它们如何受到辐射和宇宙射线的影响，仍然是人们高度关注的问题。

2014年，他以加州大学圣塔芭芭拉分校教授的身份来到谷歌，汇聚了一大群物理学家和工程师来应对制造多量子比特可编程处理器的挑战，这是显示他在制造量子计算机方面的领导能力和承诺的重要一步。通过为量子比特设计、耦合器和可扩展I/O实施成功的工程选择来优化设备性能。

在Xmon（X形transmon量子比特）上实现了一个质量前所未有的双量子比特门，保真度高达99.4％。这使该团队能够朝着量子纠错的梦想迈出关键的第一步。量子纠错旨在使用许多冗余的量子比特来表示具有改进的相干性和逻辑门的逻辑量子比特。特别是，使用Xmon量子比特的线性阵列通过重复奇偶校验测量来实现经典重复码的实验首次证明，逻辑量子比特的保真度随量子比特冗余度的增加而提高。这些开创性的工作被看作是通过2D表面码来保持逻辑量子比特状态的目标。

其他重要进展还有transmon量子比特之间可调谐耦合（从根本上缓解了量子比特串扰的问题）以及快速多路复用量子测量的开发。

这些工程进展在2019年达到了高潮，开发了53个量子比特Sycamore芯片，这是一个多量子比特可编程量子设备，具有前所未有的规模、相干性和能力的2D量子比特连接。

Sycamore处理器（X代表量子比特）

借助Sycamore芯片，在他领导下的谷歌团队能够执行相对较深的量子电路，第一次进入全新的计算领域。这种计算领域被John Preskill称为“量子霸权”，是由普通“经典”计算机无法模拟足够大的可编程量子设备的输出来定义的。

曾经，贝尔实验展示了量子纠缠的非局域性及其与经典随机模型的背离，而量子霸权实验旨在展示量子与经典物理计算能力的背离。鉴于强大的经典算法平台，通过实验证明量子霸权需要高精度的多量子比特控制，因为噪声很容易破坏量子计算的优势。而Sycamore芯片前所未有的控制水平已经为实现创新的模拟、优化或量子纠错实验创造了新的机遇。

因此，贝尔奖委员会认为，2019年的谷歌量子霸权实验可以被视为约翰·马丁尼斯多年来致力于构建多量子比特超导处理器的最高成就。该奖项将于6月1日颁发。

参考链接：

https://cqiqc.physics.utoronto.ca/bell-prize/bell-prize-winners/john-martinis-awarded-the-seventh-bell-prize/

—End—

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