本文转自：澎湃新闻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 。


文章图片

文章图片

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 。”


文章图片

文章图片

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 。”