依據(jù)以色列理工大學(xué)的最新研究，量子計算機確實有速率極限。
相比于傳統(tǒng)計算機，量子計算機的運算速率能達(dá)到指數(shù)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(xué)團隊嘗試突破量子化學(xué)學(xué)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(fā)表在《科學(xué)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(zhì)波進行處理，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)對量子態(tài)隨時間變化的速率設(shè)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(zhì)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(tài)系統(tǒng)中的這兩個速率極限。
“我們曉得量子態(tài)的發(fā)展有兩個公認(rèn)的速率極限。”以色列理工大學(xué)研究員GalNess說道，“曼德爾斯坦和塔姆覺得，量子態(tài)的發(fā)展速率要慢于其能源不確定性的倒數(shù)(減去個別常數(shù))。而另一個極限（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。”要理解為何量子計算機會有速率限制，就要理解速率極限理論所應(yīng)用的領(lǐng)域。量子計算機不會運行0和1的二補碼系統(tǒng)，即比特，而是使用量子位，或量子比特進行運算。
在量子化學(xué)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量子通訊速度，以色列理工大學(xué)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(cè)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(lián)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(zhì)波裝入疊加狀態(tài)，來觀察它們會怎樣變化。
“疊加意味著，當(dāng)一個傳統(tǒng)比特有一個0或1的值時，每位量子位可以同時是0和1。”Ness說，“與保存在時間中的傳統(tǒng)存儲不同，波函數(shù)（物質(zhì)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(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(tài)保持靜止，物質(zhì)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(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。研究團隊須要借此找出量子的速率極限，為此她們創(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。
“干擾是一種借助系統(tǒng)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(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。”
多級量子系統(tǒng)中的量子速率極限
團隊發(fā)覺，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在更長的時間后發(fā)生。
由于粒子的能量永遠(yuǎn)不可能被確切地發(fā)覺，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(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(guān)的量子技術(shù)具有重要意義。
但這仍不能夠定一個事實：與我們現(xiàn)今使用的電子設(shè)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。