以色列理工学院最新研究：量子计算机也有速度极限

根据以色列理工学院的最新研究，量子计算机确实有速度极限。

相比于传统计算机，量子计算机的运算速度能达到指数级的提升，但量子计算机受到的速度限制，理论上并不止一个。

近日，以色列理工学院团队尝试突破量子物理学的边界，提出并证明量子计算机的速度极限。这一研究成果发表在《科学进展》(Science Advances)上。

与笔记本电脑或智能手机不同，一些量子计算机将原子作为物质波进行处理，其速度限制取决于在这些物质波中信息的转换速度。

据论文，量子力学对量子态随时间变化的速度设定了基本限制。两个著名的量子速度极限理论是曼德尔斯坦和塔姆提出的速度限制(MT Bound)和马尔高拉斯-莱维丁定律（ML Bound）。研究团队通过使用快速物质波的干涉测量法，跟踪光阱中单个原子的运动，同时测试了在多能级系统中的这两个速度极限。

“我们知道量子态的发展有两个公认的速度极限。”以色列理工学院研究员Gal Ness说道，“曼德尔斯坦和塔姆认为，量子态的发展速度要慢于其能源不确定性的倒数(乘以某些常数)。而另一个极限（ML Bound）则将量子态发展的最大速度与平均能量本身联系起来。”

要理解为什么量子计算机会有速度限制，就要理解速度极限理论所应用的领域。量子计算机不会运行0和1的二进制系统，即比特，而是使用量子位，或量子比特进行运算。

在量子物理学中，原子被看作是物质的波动。比特的位值只能是0或1。而量子位作为基本的信息单位，能同时以0和1两种可能的状态存在。

量子位可以是任何类型的粒子，以色列理工学院在此次实验中使用的是铯原子，因为铯原子的运动方式是可控的。研究人员让铯原子从一个薄碗的侧面滚下来，观察它们的运动。随着一个量子位的移动，它的量子信息在不断地变化。而要确定量子计算机能以多快的速度计算，就意味着要找到信息在原子中开始变化的最初点。这就是为什么在实验开始时，需要将原子或物质波放入叠加状态，来观察它们会如何变化。

“叠加意味着，当一个传统比特有一个0或1的值时，每个量子位可以同时是0和1。”Ness说，“与保存在时间中的传统储存不同，波函数（物质波的波幅）会不断变化，所以它具有固定的时间度量。这种固定的时间周期被称为量子位的‘相位’。”

为了创造出以量子叠加状态存在或以两种状态同时存在的原子，研究人员需要克隆它们。他们利用非常快的光脉冲来进行克隆，这就好像同一个原子能够同时滚动和静止。因为原子的一种状态保持静止，物质波就不会改变。克隆体是利用量子干涉进行比较的，量子干涉是物质波干涉自身的叠加效应，这样就可以精确地找出两个物质波中的不同之处。研究团队需要以此找出量子的速度极限，因此他们创造了两个波函数的克隆体，这样一个可以继续变化，而另一个作为参考，在时间中保持静止。

“干扰是一种利用系统波浪式特性来突出波与波之间差异的方式。”Ness介绍，“为了探测量子的速度极限，我们需要有初始的波函数和变化后的波函数在某个时间t之间重叠的精确数字。通过量子干涉，我们探究了这两个克隆体之间的区别。”

多级量子系统中的量子速度极限

团队发现，曼德尔斯坦和塔姆的速度限制始终限制着量子态的发展速度，而两种速度极限的交叉会在更长的时间后发生。

因为粒子的能量永远不可能被准确地发现，所以它总是取平均值。正如曼德尔斯坦和塔姆的速度限制所预测的那样，一个量子位能够被处理的最快速度取决于其能量的不确定性，而更高的能量不确定性将导致速度极限更快到来。但在量子物理学中，如果能量的不确定性高到足以达到原子的平均能量，那物质就会停止加速，速度极限保持在平均能量。所以即使是量子计算机，也不是无限快的。这些研究成果对于理解量子计算机的最终性能和相关的量子技术具有重要意义。

但这仍不能否定一个事实：与我们现在使用的电子设备相比，量子计算机的计算速度依旧是超快的。距离量子智能手机真正到来，未来还有很长的路要走。