相比于傳統計算機，量子計算機的運算速率能達到指數級的提高，但量子計算機遭到的速率限制，理論上并不止一個。
日前，以色列理工大學團隊嘗試突破量子化學學的邊界，提出并證明量子計算機的速率極限。這一研究成果發表在《科學進展》()上。
與電腦筆記本或智能手機不同，一些量子計算機將原子作為物質波進行處理，其速率限制取決于在這種物質波中信息的轉換速率。
據論文，量子熱學對量子態隨時間變化的速率設定了基本限制。兩個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）。研究團隊通過使用快速物質波的干涉檢測法，跟蹤光阱中單個原子的運動，同時測試了在多基態系統中的這兩個速率極限。
“我們曉得量子態的發展有兩個公認的速率極限。”以色列理工大學研究員GalNess說道，“曼德爾斯坦和塔姆覺得，量子態的發展速率要慢于其能源不確定性的倒數(減去個別常數)。而另一個極限（MLBound）則將量子態發展的最大速率與平均能量本身聯系上去。”要理解為何量子計算機會有速率限制，就要理解速率極限理論所應用的領域。量子計算機不會運行0和1的二補碼系統，即比特，而是使用量子位，或量子比特進行運算。
在量子化學學中，原子被看作是物質的波動。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，以色列理工大學在這次實驗中使用的是銫原子，由于銫原子的運動形式是可控的。研究人員讓銫原子從一個薄碗的側面滾出來量子通訊速度，觀察它們的運動。隨著一個量子位的聯通，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率估算，就意味著要找到信息在原子中開始變化的最初點。這就是為何在實驗開始時，須要將原子或物質波裝入疊加狀態，來觀察它們會怎樣變化。
“疊加意味著，當一個傳統比特有一個0或1的值時，每位量子位可以同時是0和1。”Ness說，“與保存在時間中的傳統存儲不同，波函數（物質波的利差）會不斷變化，所以它具有固定的時間測度。這些固定的時間周期被稱為量子位的‘相位’。”
為了創造出以量子疊加狀態存在或以兩種狀態同時存在的原子，研究人員須要克隆它們。她們借助特別快的光脈沖來進行克隆，這就似乎同一個原子就能同時滾動和靜止。由于原子的一種狀態保持靜止，物質波就不會改變。克隆體是借助量子干涉進行比較的，量子干涉是物質波干涉自身的疊加效應，這樣就可以精確地找出兩個物質波中的不同之處。研究團隊須要借此找出量子的速率極限，為此她們創造了兩個波函數的克隆體，這樣一個可以繼續變化，而另一個作為參考，在時間中保持靜止。
“干擾是一種借助系統波浪式特點來突出波與波之間差別的方法。”Ness介紹，“為了偵測量子的速率極限，我們須要有初始的波函數和變化后的波函數在某個時間t之間重疊的精確數字。通過量子干涉，我們探究了這兩個克隆體之間的區別。”
多級量子系統中的量子速率極限
團隊發覺，曼德爾斯坦和塔姆的速率限制仍然限制著量子態的發展速率，而兩種速率極限的交叉會在更長的時間后發生。
由于粒子的能量永遠不可能被確切地發覺，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測的那樣，一個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。但在量子化學學中，假如能量的不確定性高到足以達到原子的平均能量，那物質才會停止加速，速率極限保持在平均能量。所以即便是量子計算機，也不是無限快的。那些研究成果對于理解量子計算機的最終性能和相關的量子技術具有重要意義。
但這仍不能夠定一個事實：與我們現今使用的電子設備相比，量子計算機的估算速率仍然是超快的。距離量子智能手機真正到來，未來還有很長的路要走。