如何設計量子計算機？科學家稱其速度存在理論上限

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北京時間1月19日消息 據國外媒體報道，過去50年間，標準計算機處理器的速度不斷提升。但近年來，這項技術的局限逐漸開始顯露：晶元已經無法做得更小，元件也無法排得更緊，否則就會因重疊而短路。如果各大公司想繼續提高計算機速度，就必須做出某些改變。

量子物理可謂是未來的一大希望。量子計算機的速度預計將遠超信息時代的任何發明。但一項近期研究顯示，量子計算機自身同樣存在局限，並提出了一些突破這些局限的方法。

理解的局限

在物理學家看來，人類生活在所謂的「經典」世界中。大多數人僅稱之為「世界」，並憑著本能理解物理現象。比如將球拋向空中，它一定會沿著拋物線軌跡落地。就算是在更複雜的情況下，人們對物體運作的原理依然一知半解。大多數人只知道汽車通過內燃機燃燒汽油產生能量，然後通過齒輪與軸承轉動輪胎，使汽車向前行進。

按照經典物理學法則，上述過程必然存在理論局限，但這種上限高得難以企及。例如，我們知道汽車永遠無法超越光速。無論地球上有多少燃料，也無論路有多長、建造工藝有多強，車速甚至連光速的十分之一都達不到。

人類永遠無法達到實際的物理上限，但這些上限的確存在，並可以通過研究計算出來。不過，研究人員最近隱隱約約地意識到，雖然量子物理也存在局限，但卻不知道如何將其運用到真實世界中。

物理學家認為量子理論最早提出於1927年。當時德國物理學家維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）發現，經典物理學對極小的物體（即單個原子級別）並不適用。例如，如果把一個球拋向空中，很容易判斷球所處位置和運動速度。但海森堡指出，對原子和亞原子粒子而言，這是行不通的。觀察者要麼只能看到它的位置，要麼只能判斷它的運動速度，但無法同時獲得兩項信息。

意識到這一點令人頗為不安。自從海森堡解釋了這一概念，愛因斯坦和其他科學家就感到十分不快。要知道，這種「量子不確定性」並非由測量設備或工程缺陷導致，而是和我們大腦的運作方式有關。我們已經習慣了「經典世界」的運作規律，因此「量子世界」的物理機制難免超出了我們的接受範圍。

在量子世界中，如果一個物體從某處運動到另一處，研究人員無法確定它離開和到達的具體時刻。這一物理局限導致探測存在輕微時延。因此無論運動時間多短，我們總要稍過一會兒才能探測到這一變化。（這裡所說的時間極為短暫，只有一秒的1015分之一，但這期間可進行數萬億次計算機運算。）

而這一時延無疑大大降低了量子計算機可能達到的運算速度，因此被我們稱為「量子速度限制」。

過去幾年的研究顯示，在不同條件下，量子速度限制也會有所不同，如使用不同類型的材料、採用不同的磁場和電場等。情況改變時，量子速度限制有時會稍高一些，有時則會稍低一些。

令人吃驚的是，科學家發現一些意想不到的因素也有助於提高運算速度，且常常與直覺相悖。

為理解這種情況，讓我們想像一個粒子在水中的運動過程。在水中穿過時，粒子會將水分子推開。之後，水分子會立即回到原有位置，沒留下任何粒子穿過的痕迹。

再想像一下粒子從蜂蜜中穿過的情景。蜂蜜比水粘稠得多，質地更厚重，流動得更慢，因此在粒子穿過後，蜂蜜分子要花更長時間才能回到原處。但在量子世界中，蜂蜜迴流時會產生壓力，推動粒子向前運行。這就使得粒子的實際運動速度與觀察者預期的稍有不同。

隨著研究人員對量子速度限制的理解愈發深入，量子計算機處理器的設計也自然會受其影響。就像此前的工程師設法縮小晶體管體積、將它們緊密排布在傳統計算機晶元上一樣，科學家需要進一步創新，才能使量子計算機系統達到最快，儘可能接近速度上限。

研究人員還有很多工作要做。目前，我們還不清楚量子速度限制是否高得難以企及，就像汽車永遠達不到光速一樣。我們對環境中的意外因素對量子運動的加速原理也不甚明白（比如上文列舉的蜂蜜）。隨著以量子物理為基礎的技術愈發普遍，我們必須找出量子物理的真正局限，從而最大化地利用手頭掌握的知識。

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