在過去的五十年中，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)處理器變得越來越快。然而，近年來，對(duì)該技術(shù)的限制已變得清晰：芯片組件只能變得如此之小，并且在它們重疊或短路之前僅被緊密地包裝在一起。如果公司要繼續(xù)構(gòu)建速度更快的計(jì)算機(jī)，就需要改變一些東西。

對(duì)于日益快速計(jì)算的未來，一個(gè)關(guān)鍵的希望是我自己的領(lǐng)域，即量子物理學(xué)。預(yù)計(jì)量子計(jì)算機(jī)將比迄今為止信息時(shí)代發(fā)展的任何計(jì)算機(jī)快得多。但是我最近的研究表明，量子計(jì)算機(jī)本身就有限制 - 并且已經(jīng)提出了解決這些限制的方法。

理解的極限

對(duì)于物理學(xué)家來說，我們?nèi)祟惿钤谒^的“ 古典 ”世界中。大多數(shù)人只是將其稱為“世界”，并且直觀地理解了物理學(xué)：例如，投擲球會(huì)將其發(fā)送出去，然后以可預(yù)測(cè)的弧度向下。

即使在更復(fù)雜的情況下，人們往往會(huì)對(duì)事物的運(yùn)作方式有一種無意識(shí)的理解。大多數(shù)人都認(rèn)識(shí)到汽車是通過在內(nèi)燃機(jī)中燃燒汽油(或從電池中提取儲(chǔ)存的電力)來產(chǎn)生的，以產(chǎn)生通過齒輪和車軸傳遞的能量來轉(zhuǎn)動(dòng)輪胎，從而推動(dòng)車輛向前移動(dòng)汽車。

根據(jù)經(jīng)典物理定律，這些過程存在理論上的限制。但它們是不切實(shí)際的高：例如，我們知道汽車永遠(yuǎn)不會(huì)比光速更快。而且無論地球上有多少燃料，或者道路或建筑方法有多強(qiáng)，沒有汽車能夠接近甚至達(dá)到光速的10%。

人們從未真正遇到過世界的實(shí)際物理極限，但它們存在，并且通過適當(dāng)?shù)难芯?，物理學(xué)家可以識(shí)別它們。然而，直到最近，學(xué)者才有一個(gè)相當(dāng)含糊的想法，即量子物理學(xué)也有限制，但不知道如何弄清楚它們?nèi)绾螒?yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界。

海森堡的不確定性

物理學(xué)家追溯量子理論的歷史可以追溯到1927年，當(dāng)時(shí)德國物理學(xué)家Werner Heisenberg證明經(jīng)典方法不適用于非常小的物體，即大小與單個(gè)原子大小相當(dāng)?shù)奈矬w。例如，當(dāng)有人投球時(shí)，很容易確定球的確切位置以及球的移動(dòng)速度。

但正如海森堡所表明的那樣，對(duì)于原子和亞原子粒子來說并非如此。相反，觀察者可以看到它的位置或移動(dòng)的速度 - 但不是兩者都在同一時(shí)間。這是一個(gè)令人不安的認(rèn)識(shí)：即使從海森堡解釋他的想法的那一刻起，阿爾伯特愛因斯坦(以及其他人)對(duì)此感到不安。重要的是要意識(shí)到這種“量子不確定性”不是測(cè)量設(shè)備或工程的缺點(diǎn)，而是我們的大腦是如何工作的。我們已經(jīng)逐漸習(xí)慣了“古典世界”如何運(yùn)作，“量子世界”的實(shí)際物理機(jī)制完全超出了我們完全掌握的能力。

進(jìn)入量子世界

如果量子世界中的物體從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，研究人員無法準(zhǔn)確測(cè)量它何時(shí)離開或何時(shí)到達(dá)。物理極限會(huì)對(duì)檢測(cè)它產(chǎn)生微小的延遲。因此無論動(dòng)作實(shí)際發(fā)生得多快，直到稍晚才能檢測(cè)到。(這里的時(shí)間長(zhǎng)度非常小 - 一秒鐘的千萬億分之一 - 但加起來超過數(shù)萬億的計(jì)算機(jī)計(jì)算。)

這種延遲有效地減緩了量子計(jì)算的潛在速度 - 它強(qiáng)加了我們所謂的“量子速度限制”。

在過去的幾年里，研究，其中我集團(tuán)已顯著貢獻(xiàn)，展示了如何這種量子限速不同的條件，如在不同的磁場(chǎng)和電場(chǎng)采用不同類型的材料下確定。對(duì)于這些情況中的每一種，量子速度限制略高或略低。

令每個(gè)人都大吃一驚的是，我們甚至發(fā)現(xiàn)，有時(shí)出乎意料的因素可能會(huì)以違反直覺的方式幫助加快速度。

為了理解這種情況，想象一個(gè)粒子在水中移動(dòng)可能是有用的：粒子在移動(dòng)時(shí)取代水分子。在粒子移動(dòng)之后，水分子迅速流回原處，在粒子的通道后面留下痕跡。

現(xiàn)在想象相同的粒子穿過蜂蜜。蜂蜜具有比水更高的粘度 - 它更厚并且流動(dòng)更慢 - 因此蜂蜜顆粒在顆粒移動(dòng)后需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能移回。但是在量子世界中，蜂蜜的回流會(huì)產(chǎn)生推動(dòng)量子粒子前進(jìn)的壓力。這種額外的加速可以使量子粒子的速度限制與觀察者可能預(yù)期的不同。

設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)

隨著研究人員更多地了解這種量子速度限制，它將影響量子計(jì)算機(jī)處理器的設(shè)計(jì)方式。正如工程師想出如何縮小晶體管的尺寸并將它們更緊密地封裝在經(jīng)典的計(jì)算機(jī)芯片上一樣，他們需要一些聰明的創(chuàng)新來構(gòu)建盡可能快的量子系統(tǒng)，盡可能接近極限速度。

像我這樣的研究人員需要探索。目前尚不清楚量子速度限制是否如此之高以至于無法實(shí)現(xiàn) - 就像汽車永遠(yuǎn)無法接近光速一樣。我們并不完全了解環(huán)境中的意外元素 - 例如示例中的蜂蜜 - 如何有助于加速量子過程。隨著基于量子物理學(xué)的技術(shù)變得越來越普遍，我們需要更多地了解量子物理學(xué)的局限性，以及如何設(shè)計(jì)能夠充分利用我們所知道的系統(tǒng)。