根據以色列理工學院的最新研究，量子計算機確實有速度極限。

相比于傳統計算機，量子計算機的運算速度能達到指數級的提升，但量子計算機受到的速度限制，理論上并不止一個。

近日，以色列理工學院團隊嘗試突破量子物理學的邊界，提出并證明量子計算機的速度極限。這一研究成果發表在《科學進展》(Science Advances)上。

與筆記本電腦或智能手機不同，一些量子計算機將原子作為物質波進行處理，其速度限制取決于在這些物質波中信息的轉換速度。

據論文，量子力學對量子態隨時間變化的速度設定了基本限制。兩個著名的量子速度極限理論是曼德爾斯坦和塔姆提出的速度限制(MT Bound)和馬爾高拉斯-萊維丁定律（ML Bound）。研究團隊通過使用快速物質波的干涉測量法，跟蹤光阱中單個原子的運動，同時測試了在多能級系統中的這兩個速度極限。

“我們知道量子態的發展有兩個公認的速度極限。”以色列理工學院研究員Gal Ness說道，“曼德爾斯坦和塔姆認為，量子態的發展速度要慢于其能源不確定性的倒數(乘以某些常數)。而另一個極限（ML Bound）則將量子態發展的最大速度與平均能量本身聯系起來。”

要理解為什么量子計算機會有速度限制，就要理解速度極限理論所應用的領域。量子計算機不會運行0和1的二進制系統，即比特，而是使用量子位，或量子比特進行運算。

在量子物理學中，原子被看作是物質的波動。比特的位值只能是0或1。而量子位作為基本的信息單位，能同時以0和1兩種可能的狀態存在。

量子位可以是任何類型的粒子，以色列理工學院在此次實驗中使用的是銫原子，因為銫原子的運動方式是可控的。研究人員讓銫原子從一個薄碗的側面滾下來，觀察它們的運動。隨著一個量子位的移動，它的量子信息在不斷地變化。而要確定量子計算機能以多快的速度計算，就意味著要找到信息在原子中開始變化的最初點。這就是為什么在實驗開始時，需要將原子或物質波放入疊加狀態，來觀察它們會如何變化。

“疊加意味著，當一個傳統比特有一個0或1的值時，每個量子位可以同時是0和1。”Ness說，“與保存在時間中的傳統儲存不同，波函數（物質波的波幅）會不斷變化，所以它具有固定的時間度量。這種固定的時間周期被稱為量子位的‘相位’。”

為了創造出以量子疊加狀態存在或以兩種狀態同時存在的原子，研究人員需要克隆它們。他們利用非常快的光脈沖來進行克隆，這就好像同一個原子能夠同時滾動和靜止。因為原子的一種狀態保持靜止，物質波就不會改變。克隆體是利用量子干涉進行比較的，量子干涉是物質波干涉自身的疊加效應，這樣就可以精確地找出兩個物質波中的不同之處。研究團隊需要以此找出量子的速度極限，因此他們創造了兩個波函數的克隆體，這樣一個可以繼續變化，而另一個作為參考，在時間中保持靜止。

“干擾是一種利用系統波浪式特性來突出波與波之間差異的方式。”Ness介紹，“為了探測量子的速度極限，我們需要有初始的波函數和變化后的波函數在某個時間t之間重疊的精確數字。通過量子干涉，我們探究了這兩個克隆體之間的區別。”

多級量子系統中的量子速度極限

團隊發現，曼德爾斯坦和塔姆的速度限制始終限制著量子態的發展速度，而兩種速度極限的交叉會在更長的時間后發生。

因為粒子的能量永遠不可能被準確地發現，所以它總是取平均值。正如曼德爾斯坦和塔姆的速度限制所預測的那樣，一個量子位能夠被處理的最快速度取決于其能量的不確定性，而更高的能量不確定性將導致速度極限更快到來。但在量子物理學中，如果能量的不確定性高到足以達到原子的平均能量，那物質就會停止加速，速度極限保持在平均能量。所以即使是量子計算機，也不是無限快的。這些研究成果對于理解量子計算機的最終性能和相關的量子技術具有重要意義。

但這仍不能否定一個事實：與我們現在使用的電子設備相比，量子計算機的計算速度依舊是超快的。距離量子智能手機真正到來，未來還有很長的路要走。