依據(jù)以色列理工大學(xué)的最新研究，量子計(jì)算機(jī)確實(shí)有速率極限。
相比于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速率能達(dá)到指數(shù)級(jí)的提高，但量子計(jì)算機(jī)遭到的速率限制，理論上并不止一個(gè)。
日前，以色列理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)嘗試突破量子化學(xué)學(xué)的邊界，提出并證明量子計(jì)算機(jī)的速率極限。這一研究成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》()上。
與電腦筆記本或智能手機(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，其速率限制取決于在這種物質(zhì)波中信息的轉(zhuǎn)換速率。
據(jù)論文，量子熱學(xué)對(duì)量子態(tài)隨時(shí)間變化的速率設(shè)定了基本限制。兩個(gè)知名的量子速率極限理論是曼德爾斯坦和塔姆提出的速率限制(MTBound)和馬爾高拉斯-萊維丁定理（MLBound）。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用快速物質(zhì)波的干涉檢測(cè)法，跟蹤光阱中單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)測(cè)試了在多基態(tài)系統(tǒng)中的這兩個(gè)速率極限。
“我們曉得量子態(tài)的發(fā)展有兩個(gè)公認(rèn)的速率極限。”以色列理工大學(xué)研究員GalNess說(shuō)道，“曼德爾斯坦和塔姆覺(jué)得，量子態(tài)的發(fā)展速率要慢于其能源不確定性的倒數(shù)(減去個(gè)別常數(shù))。而另一個(gè)極限（MLBound）則將量子態(tài)發(fā)展的最大速率與平均能量本身聯(lián)系上去。”要理解為何量子計(jì)算機(jī)會(huì)有速率限制，就要理解速率極限理論所應(yīng)用的領(lǐng)域。量子計(jì)算機(jī)不會(huì)運(yùn)行0和1的二補(bǔ)碼系統(tǒng)，即比特，而是使用量子位，或量子比特進(jìn)行運(yùn)算。
在量子化學(xué)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量子通訊速度，以色列理工大學(xué)在這次實(shí)驗(yàn)中使用的是銫原子，由于銫原子的運(yùn)動(dòng)形式是可控的。研究人員讓銫原子從一個(gè)薄碗的側(cè)面滾出來(lái)量子通訊速度，觀察它們的運(yùn)動(dòng)。隨著一個(gè)量子位的聯(lián)通，它的量子信息在不斷地變化。而要確定量子計(jì)算機(jī)能以多快的速率估算，就意味著要找到信息在原子中開始變化的最初點(diǎn)。這就是為何在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，須要將原子或物質(zhì)波裝入疊加狀態(tài)，來(lái)觀察它們會(huì)怎樣變化。
“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)，每位量子位可以同時(shí)是0和1。”Ness說(shuō)，“與保存在時(shí)間中的傳統(tǒng)存儲(chǔ)不同，波函數(shù)（物質(zhì)波的利差）會(huì)不斷變化，所以它具有固定的時(shí)間測(cè)度。這些固定的時(shí)間周期被稱為量子位的‘相位’。”
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，研究人員須要克隆它們。她們借助特別快的光脈沖來(lái)進(jìn)行克隆，這就似乎同一個(gè)原子就能同時(shí)滾動(dòng)和靜止。由于原子的一種狀態(tài)保持靜止，物質(zhì)波就不會(huì)改變。克隆體是借助量子干涉進(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)須要借此找出量子的速率極限，為此她們創(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。
“干擾是一種借助系統(tǒng)波浪式特點(diǎn)來(lái)突出波與波之間差別的方法。”Ness介紹，“為了偵測(cè)量子的速率極限，我們須要有初始的波函數(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(guò)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)中的量子速率極限
團(tuán)隊(duì)發(fā)覺(jué)，曼德爾斯坦和塔姆的速率限制仍然限制著量子態(tài)的發(fā)展速率，而兩種速率極限的交叉會(huì)在更長(zhǎng)的時(shí)間后發(fā)生。
由于粒子的能量永遠(yuǎn)不可能被確切地發(fā)覺(jué)，所以它總是取平均值。正如曼德爾斯坦和塔姆的速率限制所預(yù)測(cè)的那樣，一個(gè)量子位才能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造成速率極限更快到來(lái)。但在量子化學(xué)學(xué)中，假如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)才會(huì)停止加速，速率極限保持在平均能量。所以即便是量子計(jì)算機(jī)，也不是無(wú)限快的。那些研究成果對(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。
但這仍不能夠定一個(gè)事實(shí)：與我們現(xiàn)今使用的電子設(shè)備相比，量子計(jì)算機(jī)的估算速率仍然是超快的。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。