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光碗中的量子弹珠-量子计算的速度极限

量子创投界

2021-12-24

导读：一项国际研究表明哪些因素决定了量子计算的速度限制。

一项国际研究表明哪些因素决定了量子计算的速度限制。

哪些因素决定了量子计算机的计算速度?波恩大学和以色列理工学院的物理学家们设计了一个精巧的实验来回答这个问题。这项研究的结果发表在《Science Advances》学术期刊上。

量子计算机是一种高度精密的机器，依靠量子力学原理来处理信息。这将使它们能够在未来处理某些传统计算机完全无法解决的问题。但即使是量子计算机，它们在给定时间内能够处理的数据量也有基本的限制。

量子门需要的时间

传统计算机中存储的信息可以被认为是一长串由0和1组成的比特。在量子力学中，情况就不同了:信息存储在量子比特(qubits)中，它类似于波而不是一系列离散值。当物理学家想要精确地表示包含在量子比特中的信息时，他们也会提到波函数。

在传统的计算机中，信息通过所谓的“门”连接在一起。组合几个门可以进行基本的计算，例如两位相加。在量子计算机中，信息处理的方式非常相似，量子门根据特定的规则改变波函数。

量子门在另一个方面与传统计算机的传统门相似:“即使在量子世界中，门的工作速度也不是无限快，”波恩大学应用物理研究所的Andrea Alberti博士解释说。“它们需要最少的时间来转换波函数和其中包含的信息。”

Dr. Manolo Rivera Lam(左)、Dr. Dieter Meschede(中)及Dr. Andrea Alberti(右)。资料来源:Volker Lannert/波恩大学

70多年前，苏联物理学家列昂尼德·曼德尔斯塔姆(Leonid Mandelstam)和伊戈尔·塔姆(Igor Tamm)从理论上推导出波函数转换的最小时间。波恩大学(University of Bonn)和以色列理工学院(Technion)的物理学家们现在已经通过一个复杂量子系统的实验，首次研究了曼德尔斯塔姆-塔姆极限。为了做到这一点，他们使用了铯原子，铯原子以高度受控的方式移动。“在实验中，我们让单个原子像轻碗中的弹珠一样滚动，并观察它们的运动，”领导这项实验研究的Alberti解释说。

原子在量子力学上可以被描述为物质波。在到达光碗底部的过程中，它们的量子信息发生了变化。研究人员现在想知道这种“变形”最早什么时候能被发现。这一次将是曼德尔斯塔姆-塔姆极限的实验证明。然而，问题在于:在量子世界中，每一次对原子位置的测量都会不可避免地以不可预测的方式改变物质波。所以不管测量多快，量子弹珠看起来总是变形的。“因此，我们设计了一种不同的方法来检测与初始状态的偏差，”Alberti说。

Gal Ness(左)和Yoav Sagi教授(右)。来源：Rami Shlush/Technion

为了达到这个目的，研究人员开始制造物质波的克隆体，换句话说，几乎是一个孪生体。“我们使用快速光脉冲来创造所谓的原子两种状态的量子叠加，”Technion的博士生、该研究的第一作者Gal Ness解释说。“打个比方，原子的行为就好像它同时有两种不同的颜色。”根据颜色的不同，每个孪生原子在光碗中有不同的位置:一个在边缘的高处，然后从那里“滚”下来。相反，另一个已经在碗的底部了。这对双胞胎不会移动——毕竟，它不能卷起墙壁，所以不会改变它的波函数。

物理学家们每隔一定时间比较这两个克隆体。他们使用了一种叫做量子干涉的技术，这种技术可以非常精确地探测到波的差异。这使他们能够确定物质波在什么时候发生重大变形。

两个因素决定了速度限制

在实验开始时，通过改变碗底以上的高度，物理学家们也能够控制原子的平均能量。平均，因为原则上，数量不能准确确定。因此，原子的“位置能”总是不确定的。“我们能够证明物质波变化的最小时间取决于这种能量的不确定性，”Technion合作团队的负责人Yoav Sagi教授说，“不确定性越大，曼德尔斯塔姆-塔姆时间就越短。”

这正是两位苏联物理学家所预测的。但是还有第二个效应:如果能量的不确定性越来越大，直到它超过原子的平均能量，那么最小时间不会进一步减少——这与曼德尔斯塔姆-塔姆极限的实际建议相反。因此，物理学家们证明了第二个速度极限，理论上是在大约20年前发现的。因此，量子世界的终极速度极限不仅由能量的不确定性决定，还由平均能量决定。

“这是第一次在一个复杂的量子系统中，甚至在一个单一的实验中，可以同时测量两个量子速度边界，”Alberti兴奋地说。未来的量子计算机或许能够快速解决问题，但它们也将受到这些基本限制的限制。

参考文献: “Observing crossover between quantum speed limits” by Gal Ness, Manolo R. Lam, Wolfgang Alt, Dieter Meschede, Yoav Sagi and Andrea Alberti, 22 December 2021, Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.abj9119

这项研究由莱茵哈德·弗兰克基金会(与德国技术协会合作)、德国研究基金会(DFG)、海伦·迪勒量子技术中心(Helen Diller Quantum Center at The Technion)和德国学术交流服务(DAAD)资助。

相关链接

https://scitechdaily.com/quantum-marbles-in-a-bowl-of-light-the-speed-limit-for-quantum-computations/

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