量子速度將可能成為量子計算機的極限之一

在最近幾年裡，標準計算機處理器正在接近其技術上的極限：晶元半導體元件的尺寸縮小和封裝密度受重疊（overlap）和短路問題的約束越來越明顯。如果處理器廠商期望繼續研發更快的計算機，那麼它們將需要採取更創新的技術手段，而量子計算就是這樣一個被信息行業寄予厚望的領域。然而，馬里蘭大學巴爾的摩分校助理教授塞巴斯蒂安.德弗納（Sebastian Deffner）領導的研究團隊提出，量子計算機也具有它的極限——量子速度。

從物理學家的角度來看，人類生活的這個世界可稱之為「經典（classical）」世界，物理規律是可以直觀地感覺到的——例如擲出一個球，球從飛出到重新落地的軌跡是可以觀察和預測的。即便在更複雜的條件下，人們無需刻意就能理解常見事物的物理運行原理，例如汽車開動是因為汽油在內燃機中燃燒或電池輸送電力來產生動能，動能通過齒輪傳動和車軸驅動輪胎，輪胎對路面施加力量驅使汽車前進。上述過程在經典物理中都存在極限，儘管這些極限在當前條件下不可能達成，例如不管給汽車注入多少燃料或者將地面修得多麼堅固，汽車也不可能到達十分之一的光速。當然，現在的人類永遠不會遇到經典世界的真正物理極限，但通過恰當的方法，物理學家們可以證明這些極限的存在。

一旦將經典世界的物理法則放在量子世界中來考慮，那麼事情就變得非常複雜。物理學家們研究量子理論的歷史始於1927年，德國物理學家維爾納.海森堡（Werner Heisenberg）展示了經典物理法則——例如某人擲出一個球，他能很容易地判斷球的位置和速度——對於原子尺寸的微小物體來說是無效的。事實上，一個觀察者能看到粒子的位置或粒子的速度，但他無法同時掌握粒子的位置和速度，這是個令人迷惑的認識，海森堡的發現令愛因斯坦和其他物理學家們半信半疑。如果量子世界的一個物體從一個位置移動到另一個位置，研究人員無法精確地測量這個物體何時出發或到達，因為物理上的限制將會在測量它之時造成一個極小的延時——約等於1秒的千萬億分之一，因此無論該物體的真實移動速度如何，它必須在極小的延遲之後才能被檢測到。儘管這個延時非常小，但在百萬億次的量子計算操作後將會變成一個十分之一秒的顯著誤差，這就是德弗納教授研究團隊所發現的量子計算極限「量子速度限制（Quantum speed limit）」。

在過去幾年裡，德弗納教授的研究團隊進行了大量工作，證明了不同環境也會對「量子速度限制」產生影響，例如在不同的磁場和電場中使用不同類型的材料，產生的量子速度限制也會出現高低差異。而多次實驗同時還帶來了一個令人驚訝的發現，某些環境可能會出現提高量子速度的反常因素。德弗納教授指出，這樣的條件就像一個粒子在水中運動，粒子會在移動時推開水分子，在粒子移走後水分子會快速返回原處，令粒子的移動軌跡消失；但當相同的粒子在蜂蜜中移動時，由於蜂蜜的粘性高於水，因此粒子移走後蜂蜜粒子需要更長的時間才能重新回到原處。這個現象在量子世界中將表現為蜂蜜迴流會對粒子產生一個推動力，加速粒子的移動，最終令該粒子的量子速度限制與觀察者所預期的不同。

德弗納教授認為，「量子速度限制」的原理尚不清楚，它的存在也使得量子運行無法儘可能地接近光速。但隨著研究人員對「量子速度限制」這個現象的理解深入，它將會對量子計算機處理器的設計產生影響，就像處理器工程師們找到縮小半導體元件尺寸並將它們更緊密地封裝到經典計算機晶元上的方法那樣，研究人員們也將有可能通過創新來建造速度更快、更接近終極速度限制的量子系統。

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