量子计算机能有多快?

发布网友 发布时间：2023-05-29 22:46

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热心网友 时间：2024-02-08 06:56

在过去的五十年中，标准计算机处理器的速度越来越快。然而，近几年来，这项技术的局限性已经变得很明显：芯片组件在重叠或短路之前只能变得如此小，并且只能紧密地组装在一起。如果公司要继续建造速度更快的计算机，就需要做出一些改变。

未来越来越快的计算的一个关键希望是我自己的领域，量子物理学。量子计算机有望比信息时代迄今发展的任何东西都快得多。但我最近的研究表明，量子计算机将有其自身的局限性，并提出了解决这些局限性的方法。

的局限性，我们人类生活在所谓的“经典”世界中。大多数人只是称之为“世界”，并且已经直观地理解了物理学：例如，投掷一个球使它以一个可预测的弧线向上然后向下运动。

即使在更复杂的情况下，人们也倾向于无意识地理解事物是如何工作的。大多数人基本上都明白，汽车的工作原理是在内燃机中燃烧汽油（或从电池中提取储存的电能），产生能量，通过齿轮和车轴传递能量，使轮胎转动，从而推动道路前进。

根据经典物理定律，有理论上的对这些过程的*。但它们的速度高得离谱：例如，我们知道汽车永远不能超过光速。不管地球上有多少燃料，或者道路有多大，或者建造方法有多强，没有一辆车能接近10%的光速。“KDSPE”“KDSPs”的人从来没有真正遇到世界的实际物理极限，但是它们存在，并且通过适当的研究，物理学家可以识别它们。不过，直到最近，学者们才有了一个相当模糊的概念，即量子物理学也有局限性，但不知道如何找出它们在现实世界中的应用。

物理学家将量子理论的历史追溯到1927年，当德国物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）证明经典的方法对非常小的物体，即那些大约与单个原子大小相当的物体不起作用时。例如，当有人投掷一个球时，很容易确定球的确切位置和移动速度。

，但正如海森堡所说，原子和亚原子粒子不是这样的。相反，观察者可以看到它的位置或移动的速度，但不能同时看到两者。这是一个令人不安的认识：即使从海森堡解释他的想法的那一刻起，阿尔伯特·爱因斯坦（以及其他人）就对此感到不安。必须认识到，这种“量子不确定性”不是测量设备或工程的缺点，而是我们大脑的工作方式。我们已经进化到习惯于“经典世界”的工作方式，以至于“量子世界”的实际物理机制根本超出了我们完全掌握的能力。

如果量子世界中的一个物体从一个位置移动到另一个位置，研究人员无法精确测量它离开的时间也不知道什么时候能到。物理学的局限性使探测它有微小的延迟。所以不管移动的速度有多快，都要稍晚才能被发现。（这里的时间长度是难以置信的微小——百万分之一秒——但是加起来超过了数万亿的计算机计算。）

延迟有效地减慢了量子计算的潜在速度——它强加了我们所说的“量子速度限值”。

在过去的几年里，我的研究小组有重大贡献的，已经表明了这个量子速度极限是如何在不同的条件下确定的，比如在不同的磁场和电场中使用不同类型的材料。对于每一种情况，量子速度极限是高一点还是低一点。

让每个人都大吃一惊，我们甚至发现，有时候意想不到的因素会帮助事情加速，有时，会以违反直觉的方式。

来理解这种情况，想象一个粒子在水中运动是很有用的：当它运动时，这个粒子会取代水分子。当粒子移动后，水分子很快回到原来的位置，在粒子的通道后面没有留下任何痕迹。

现在想象同一个粒子穿过蜂蜜。蜂蜜比水有更高的粘度-它更厚，流动更慢-所以蜂蜜颗粒在颗粒移动后需要更长的时间才能移动回来。但在量子世界里，蜂蜜的回流会产生压力，推动量子粒子向前运动。这种额外的加速可以使量子粒子的速度极限不同于观察者的预期。

随着研究人员对这种量子速度极限的更多了解，它将影响量子计算机处理器的设计。就在工程师们发现如何缩小晶体管的尺寸并将它们更紧密地封装在一个经典的计算机芯片上时，他们需要一些聪明的创新来构建尽可能快的量子系统，尽可能接近极限速度。

有很多东西需要我这样的研究人员去探索。目前尚不清楚量子速度*是否如此之高以至于无法实现，就像汽车永远无法接近光速一样。我们还不能完全理解环境中的意外元素（比如例子中的蜂蜜）是如何帮助加速量子过程的。随着基于量子物理学的技术变得越来越普遍，我们需要更多地了解量子物理学的极限在哪里，以及如何利用我们所知道的东西来设计系统。

Sebastian Deffner，马里兰大学物理助理教授，巴尔的摩县

这篇文章最初是在对话中发表的。阅读原文。“