量子计算，极限在哪？

文/陈根

众所周知，量子计算机最大的特点就是速度快。

经典计算机以比特（bit）作为存储的信息单位，比特使用二进制，一个比特表示的不是“0”就是“1”。但是，在量子计算机里，情况会变得完全不同，量子计算机以量子比特（qubit）为信息单位，量子比特可以表示“0”，也可以表示“1”，还可以做到“既1又0”，这意味着，量子计算机可以叠加所有可能的“0”和“1”组合，让“1”和“0”的状态同时存在。

相较于经典计算，基于量子比特特性的量子计算机优势显而易见。普通计算机中的2位寄存器一次只能存储一个二进制数，而量子计算机中的2位量子比特寄存器可以同时保持所有4个状态的叠加。当量子比特的数量为n个时，量子处理器对n个量子位执行一个操作就相当于对经典位执行2n个操作，这使得量子计算机的处理速度大大提升。

2019年，谷歌宣布率先实现“量子霸权”。根据谷歌的论文，该团队将其量子计算机命名为“悬铃木”，处理的问题大致可以理解为“判断一个量子随机数发生器是否真的随机”。悬铃木”包含53个量子比特的芯片，仅需花200秒就能对一个量子线路取样一百万次，而相同的运算量在当今世界最大的超级计算机Summit上则需要1万年才能完成。

当然，即便是被认为具有史无前例的高速的量子计算，也有其极限。近日，以色列理工学院团队尝试突破量子物理学的边界，就提出并证明量子计算机的速度极限。具体来看，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。

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。如前所述，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。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。

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。

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）是两个著名的量子速度极限理论，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。