根據(jù)以色列理工學(xué)院的最新研究，量子計(jì)算機(jī)確實(shí)有速度極限。

相比于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度能達(dá)到指數(shù)級(jí)的提升，但量子計(jì)算機(jī)受到的速度限制，理論上并不止一個(gè)。

近日，以色列理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)嘗試突破量子物理學(xué)的邊界，提出并證明量子計(jì)算機(jī)的速度極限。這一研究成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上。

與筆記本電腦或智能手機(jī)不同，一些量子計(jì)算機(jī)將原子作為物質(zhì)波進(jìn)行處理，其速度限制取決于在這些物質(zhì)波中信息的轉(zhuǎn)換速度。

據(jù)論文，量子力學(xué)對(duì)量子態(tài)隨時(shí)間變化的速度設(shè)定了基本限制。兩個(gè)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(tuán)隊(duì)通過使用快速物質(zhì)波的干涉測(cè)量法，跟蹤光阱中單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)測(cè)試了在多能級(jí)系統(tǒng)中的這兩個(gè)速度極限。

“我們知道量子態(tài)的發(fā)展有兩個(gè)公認(rèn)的速度極限?！币陨欣砉W(xué)院研究員Gal Ness說(shuō)道，“曼德爾斯坦和塔姆認(rèn)為，量子態(tài)的發(fā)展速度要慢于其能源不確定性的倒數(shù)(乘以某些常數(shù))。而另一個(gè)極限（ML Bound）則將量子態(tài)發(fā)展的最大速度與平均能量本身聯(lián)系起來(lái)?！?/p>

要理解為什么量子計(jì)算機(jī)會(huì)有速度限制，就要理解速度極限理論所應(yīng)用的領(lǐng)域。量子計(jì)算機(jī)不會(huì)運(yùn)行0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)，即比特，而是使用量子位，或量子比特進(jìn)行運(yùn)算。

在量子物理學(xué)中，原子被看作是物質(zhì)的波動(dòng)。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(shí)以0和1兩種可能的狀態(tài)存在。

量子位可以是任何類型的粒子，以色列理工學(xué)院在此次實(shí)驗(yàn)中使用的是銫原子，因?yàn)殇C原子的運(yùn)動(dòng)方式是可控的。研究人員讓銫原子從一個(gè)薄碗的側(cè)面滾下來(lái)，觀察它們的運(yùn)動(dòng)。隨著一個(gè)量子位的移動(dòng)，它的量子信息在不斷地變化。而要確定量子計(jì)算機(jī)能以多快的速度計(jì)算，就意味著要找到信息在原子中開始變化的最初點(diǎn)。這就是為什么在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，需要將原子或物質(zhì)波放入疊加狀態(tài)，來(lái)觀察它們會(huì)如何變化。

“疊加意味著，當(dāng)一個(gè)傳統(tǒng)比特有一個(gè)0或1的值時(shí)，每個(gè)量子位可以同時(shí)是0和1?！盢ess說(shuō)，“與保存在時(shí)間中的傳統(tǒng)儲(chǔ)存不同，波函數(shù)（物質(zhì)波的波幅）會(huì)不斷變化，所以它具有固定的時(shí)間度量。這種固定的時(shí)間周期被稱為量子位的‘相位’?！?/p>

為了創(chuàng)造出以量子疊加狀態(tài)存在或以兩種狀態(tài)同時(shí)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(lái)進(jìn)行克隆，這就好像同一個(gè)原子能夠同時(shí)滾動(dòng)和靜止。因?yàn)樵拥囊环N狀態(tài)保持靜止，物質(zhì)波就不會(huì)改變?？寺◇w是利用量子干涉進(jìn)行比較的，量子干涉是物質(zhì)波干涉自身的疊加效應(yīng)，這樣就可以精確地找出兩個(gè)物質(zhì)波中的不同之處。研究團(tuán)隊(duì)需要以此找出量子的速度極限，因此他們創(chuàng)造了兩個(gè)波函數(shù)的克隆體，這樣一個(gè)可以繼續(xù)變化，而另一個(gè)作為參考，在時(shí)間中保持靜止。

“干擾是一種利用系統(tǒng)波浪式特性來(lái)突出波與波之間差異的方式?！盢ess介紹，“為了探測(cè)量子的速度極限，我們需要有初始的波函數(shù)和變化后的波函數(shù)在某個(gè)時(shí)間t之間重疊的精確數(shù)字。通過量子干涉，我們探究了這兩個(gè)克隆體之間的區(qū)別。”

多級(jí)量子系統(tǒng)中的量子速度極限

團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，曼德爾斯坦和塔姆的速度限制始終限制著量子態(tài)的發(fā)展速度，而兩種速度極限的交叉會(huì)在更長(zhǎng)的時(shí)間后發(fā)生。

因?yàn)榱Ｗ拥哪芰坑肋h(yuǎn)不可能被準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)，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(yù)測(cè)的那樣，一個(gè)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(dǎo)致速度極限更快到來(lái)。但在量子物理學(xué)中，如果能量的不確定性高到足以達(dá)到原子的平均能量，那物質(zhì)就會(huì)停止加速，速度極限保持在平均能量。所以即使是量子計(jì)算機(jī)，也不是無(wú)限快的。這些研究成果對(duì)于理解量子計(jì)算機(jī)的最終性能和相關(guān)的量子技術(shù)具有重要意義。

但這仍不能否定一個(gè)事實(shí)：與我們現(xiàn)在使用的電子設(shè)備相比，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度依舊是超快的。距離量子智能手機(jī)真正到來(lái)，未來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走。