量子计算机有多快？

在过去的五十年中，标准计算机处理器变得越来越快。然而，近年来，对该技术的限制已变得清晰：芯片组件只能变得如此之小，并且在它们重叠或短路之前仅被紧密地包装在一起。如果公司要继续构建速度更快的计算机，就需要改变一些东西。

对于日益快速计算的未来，一个关键的希望是我自己的领域，即量子物理学。预计量子计算机将比迄今为止信息时代发展的任何计算机快得多。但是我最近的研究表明，量子计算机本身就有限制 - 并且已经提出了解决这些限制的方法。

理解的极限

对于物理学家来说，我们人类生活在所谓的“ 古典 ”世界中。大多数人只是将其称为“世界”，并且直观地理解了物理学：例如，投掷球会将其发送出去，然后以可预测的弧度向下。

即使在更复杂的情况下，人们往往会对事物的运作方式有一种无意识的理解。大多数人都认识到汽车是通过在内燃机中燃烧汽油(或从电池中提取储存的电力)来产生的，以产生通过齿轮和车轴传递的能量来转动轮胎，从而推动车辆向前移动汽车。

根据经典物理定律，这些过程存在理论上的限制。但它们是不切实际的高：例如，我们知道汽车永远不会比光速更快。而且无论地球上有多少燃料，或者道路或建筑方法有多强，没有汽车能够接近甚至达到光速的10%。

人们从未真正遇到过世界的实际物理极限，但它们存在，并且通过适当的研究，物理学家可以识别它们。然而，直到最近，学者才有一个相当含糊的想法，即量子物理学也有限制，但不知道如何弄清楚它们如何应用于现实世界。

海森堡的不确定性

物理学家追溯量子理论的历史可以追溯到1927年，当时德国物理学家Werner Heisenberg证明经典方法不适用于非常小的物体，即大小与单个原子大小相当的物体。例如，当有人投球时，很容易确定球的确切位置以及球的移动速度。

但正如海森堡所表明的那样，对于原子和亚原子粒子来说并非如此。相反，观察者可以看到它的位置或移动的速度 - 但不是两者都在同一时间。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)对此感到不安。重要的是要意识到这种“量子不确定性”不是测量设备或工程的缺点，而是我们的大脑是如何工作的。我们已经逐渐习惯了“古典世界”如何运作，“量子世界”的实际物理机制完全超出了我们完全掌握的能力。

进入量子世界

如果量子世界中的物体从一个位置移动到另一个位置，研究人员无法准确测量它何时离开或何时到达。物理极限会对检测它产生微小的延迟。因此无论动作实际发生得多快，直到稍晚才能检测到。(这里的时间长度非常小 - 一秒钟的千万亿分之一 - 但加起来超过数万亿的计算机计算。)

这种延迟有效地减缓了量子计算的潜在速度 - 它强加了我们所谓的“量子速度限制”。

在过去的几年里，研究，其中我集团已显著贡献，展示了如何这种量子限速不同的条件，如在不同的磁场和电场采用不同类型的材料下确定。对于这些情况中的每一种，量子速度限制略高或略低。

令每个人都大吃一惊的是，我们甚至发现，有时出乎意料的因素可能会以违反直觉的方式帮助加快速度。

为了理解这种情况，想象一个粒子在水中移动可能是有用的：粒子在移动时取代水分子。在粒子移动之后，水分子迅速流回原处，在粒子的通道后面留下痕迹。

现在想象相同的粒子穿过蜂蜜。蜂蜜具有比水更高的粘度 - 它更厚并且流动更慢 - 因此蜂蜜颗粒在颗粒移动后需要更长的时间才能移回。但是在量子世界中，蜂蜜的回流会产生推动量子粒子前进的压力。这种额外的加速可以使量子粒子的速度限制与观察者可能预期的不同。

设计量子计算机

随着研究人员更多地了解这种量子速度限制，它将影响量子计算机处理器的设计方式。正如工程师想出如何缩小晶体管的尺寸并将它们更紧密地封装在经典的计算机芯片上一样，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。

像我这样的研究人员需要探索。目前尚不清楚量子速度限制是否如此之高以至于无法实现 - 就像汽车永远无法接近光速一样。我们并不完全了解环境中的意外元素 - 例如示例中的蜂蜜 - 如何有助于加速量子过程。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局限性，以及如何设计能够充分利用我们所知道的系统。