根據(jù)以色列理工學(xué)院的最新研究，量子計算機確實有速度極限。

相比于傳統(tǒng)計算機，量子計算機的運算速度能達到指數(shù)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(xué)院團隊嘗試突破量子物理學(xué)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(fā)表在《科學(xué)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(zhì)波進行處理，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)對量子態(tài)隨時間變化的速度設(shè)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(zhì)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(tǒng)中的這兩個速度極限。

“我們知道量子態(tài)的發(fā)展有兩個公認的速度極限。”以色列理工學(xué)院研究員Gal Ness說道，“曼德爾斯坦和塔姆認為，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?！?/p>

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(yīng)用的領(lǐng)域。量子計算機不會運行0和1的二進制系統(tǒng)，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(xué)中，原子被看作是物質(zhì)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(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(cè)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(zhì)波放入疊加狀態(tài)，來觀察它們會如何變化。

“疊加意味著，當(dāng)一個傳統(tǒng)比特有一個0或1的值時，每個量子位可以同時是0和1?！盢ess說，“與保存在時間中的傳統(tǒng)儲存不同，波函數(shù)（物質(zhì)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’?！?/p>

為了創(chuàng)造出以量子疊加狀態(tài)存在或以兩種狀態(tài)同時存在的原子，研究人員需要克隆它們。他們利用非?？斓墓饷}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(tài)保持靜止，物質(zhì)波就不會改變?？寺◇w是利用量子干涉進行比較的，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物質(zhì)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(chuàng)造了兩個波函數(shù)的克隆體，這樣一個可以繼續(xù)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(tǒng)波浪式特性來突出波與波之間差異的方式?！盢ess介紹，“為了探測量子的速度極限，我們需要有初始的波函數(shù)和變化后的波函數(shù)在某個時間t之間重疊的精確數(shù)字。通過量子干涉，我們探究了這兩個克隆體之間的區(qū)別?！?/p>

多級量子系統(tǒng)中的量子速度極限

團隊發(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在更長的時間后發(fā)生。

因為粒子的能量永遠不可能被準(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(dǎo)致速度極限更快到來。但在量子物理學(xué)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(zhì)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(guān)的量子技術(shù)具有重要意義。

但這仍不能否定一個事實：與我們現(xiàn)在使用的電子設(shè)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。