量子計算機的極限可能更高

量子計算機到底能算得多快？由於人們長久以來尋找的技術奇蹟尚未完全實現，美國國家標準技術研究所(NIST)的一位理論家證實，如果能實現量子計算機，其極限將比原先預想的高。

美國國家標準技術研究所的研究表明，量子計算機的速度可能不會受到調控計算機運行的底層物理系統能量的限制。

美國國家標準技術研究所的Stephen Jordan將該發現描述為「思維實驗」，不同於NIST另一組研究者兩年前的工作，他從另一個角度對量子計算機的速度進行了研究。在先前的研究中，主要關注信息在計算機處理器兩個開關之間的傳遞速度。而Jordan的新研究主要研究這些開關的狀態切換速度。

狀態翻轉速度等價於傳統處理器的時鐘頻率。在計算過程中，處理器發送被稱為邏輯操作的數學指令，改變開關的配置。當前CPU的時鐘速度為幾GHz，即每秒能實現數十億次基本邏輯操作。

由於量子計算機基於量子力學進行計算，其架構與當前計算機迥然不同。其中的開關，被稱為量子位或「量子比特」，不僅能表示傳統計算機中的0和1之外的狀態，還能允許多種狀態同時存在，表示能力遠遠強於傳統計算機。

Jordan的論文對長久以來認為量子狀態意味著時鐘速度的觀點提出了異議。據量子力學，量子態的變化速度，即量子比特的翻轉速度受所有能量的總量所限。Jordan認為該說法是正確的，但一些文章認為這還意味著限制了量子計算機的計算速度。

Jordan說：「乍一看這似乎是有可能的。如果正進行更多的邏輯操作，那麼從道理上講開關也會經歷更多的變化。無論是傳統計算機還是量子計算機，每發生一次邏輯操作，開關均會翻轉一次，計算機也會進入一個新的狀態。」

利用量子系統的數學原理，Jordan證實有可能設計出不受上述因素限制的量子計算機。事實上，他提到，通過正確的設計，計算機「能在常數個不同狀態下切換的同時實現任意數量的邏輯操作。」

與直覺相反的是，在量子計算機中，每秒執行的邏輯操作數能遠遠大於量子比特的翻轉速度。這意味著基於該設計，量子計算機能打破先前認為的速度限制。

這樣的優勢是什麼呢？其中一個主要的預期應用是對其他物理系統的模擬。先前人們認為時鐘頻率的理論上限限制了該任務的實現，任何物理系統都可被認為是另一種受系統能量限制時鐘頻率的計算機。要模擬該系統，量子計算機的時鐘頻率就必須要能媲美原始物理系統的時鐘頻率。

D-wave系統構建的晶元

然而，現在這個新發現計算速度限制的漏洞同樣是把雙刃劍。一方面，如果量子計算機的速度不受能量所限，那麼就能模擬比早先認為的更複雜的物理系統。但另一方面，能量不限制自然發生系統的計算複雜度，那麼在量子計算機上模擬也變得更加困難。

Jordan說：

我的發現並不意味著量子計算機的速度不存在極限，而是說其速度的限制因素來源於其他物理方面的因素而不僅僅是能量。例如，如果考慮幾何約束，比如壓縮信息的緻密程度，以及傳輸信息的速度限制(即光速)，那麼將更加完善上述結論，得到真正的計算速度極限。

[CliffBao via phys]

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