量子速度限制可能會限制量子計算機的發展

量子計算能有多快？研究表明還是會受到限制的。

過去的五十年來，標準的計算機處理器變得越來越快。而現在，這種技術的局限性已經愈加明顯：晶元元件只能變得更小，並且只能在它們重疊或短路之前儘可能地封裝在一起。如果各大公司想要繼續建造速度更快的計算機，這一技術方向就必須要改變了。

未來能讓計算速度變得更快的一個研究方向，也恰恰是Sebastian Deffner教授的研究領域——量子物理學。量子計算機可能比迄今為止信息時代所帶來的任何計算設備都要快得多。但是Deffner教授最近的研究表明，量子計算機也會有自己的限制。

圖為馬里蘭大學巴爾的摩分校Sebastian Deffner教授

Deffner教授2008年在德國奧格斯堡大學獲得物理學碩士學位，2011年獲得該校的理學博士學位。加入馬里蘭大學巴爾的摩分校前，他曾於馬里蘭大學帕克分校擔任副研究員，之後於洛斯阿拉莫斯國家實驗室擔任博士後研究員。研究領域包括量子熱力學，量子信息理論，量子光學，凝聚態理論等。

理解的界限

對於物理學家來說，我們人類生活在所謂的「古典」世界裡。大多數人把它稱為「世界」，並且可以直觀地理解這個世界的物理學。比如，將一個球拋出後，它會按預測的弧線降落。

人們從來沒有真正遇到這個世界上的實際物理極限，但並不意味著這些極限就不存在。通過適當的研究，物理學家可以確定這些極限。不過，直到最近，學者們才對量子物理學有一個相當模糊的概念——量子物理也有極限。但是並不知道它們在現實世界中的應用。

海森堡的不確定性理論

量子理論的歷史最早可以追溯到1927年，當時德國物理學家海森堡指出，古典方法不適用於非常小的物體——即原子大小的物體。

對於原子和亞原子粒子而言，觀察者可以看到它的位置或移動速度，但不能同時觀察到兩個狀態。這一發現令物理學家非常驚訝。因此從海森堡解釋他的想法的那一刻起，愛因斯坦（當然還有其他人）就對此深感不安。

進入量子世界

量子世界中的某個物體從一個地方移動到另一個地方，研究人員就無法精確地測量這一物體是何時離開，又是何時到達另一地方。物理學的限制使得在檢測這一物體時會稍稍延遲。所以不管物體的實際速度有多快，只有在稍稍延遲後才能檢測到這一物體。

這種延遲會使得量子計算的潛在速度變慢——也就是我們所說的「量子速度極限」。

在過去的幾年裡，Deffner教授的研究團隊展示了在不同的條件下，如何確定量子速度極限。比如在不同的磁場和電場中採用不同類型的材料。對於上述每一種情況，量子速度極限要麼稍微高一點，要麼稍微低一些。

令這一團隊意想不到的是，有時候我們發現了一些特別的因素，能夠以違背常理的方式給量子提速。

為了更好地理解這一現象，我們不妨假設粒子在水中移動。粒子在移動時會取代水分子。在粒子移動之後，水分子迅速迴流到原來的位置，這樣粒子的後面就不會留下痕迹。

現在，同等條件下，將水換成蜂蜜。蜂蜜比水具有更高的粘度，流動也更慢。所以蜂蜜分子在粒子移動之後需要更長的時間才能回到原來的位置。但是在量子世界中，蜂蜜的迴流可以推動量子粒子向前運動。這種額外的加速可以使量子粒子的速度極限不同於觀察者所預測的速度極限。

設計量子計算機

隨著研究人員對量子速度極限理解的逐步深入，量子計算機處理器的設計也勢必會受到影響。正如工程師們不斷縮小晶體管的尺寸，並將其與傳統計算機晶元更緊密地結合起來一樣，量子系統也需要一些創新，使其接近最終的速度極限。

像Deffner教授這樣探索的研究團隊還有很多。但目前還尚不清楚量子速度極限有多高。量子物理技術目前正變得越來越普遍，因而我們需要更多地了解量子物理的極限，並充分利用我們所已知的設計出速度更快的系統。

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