如何设计量子计算机？科学家称其速度存在理论上限

shuszhao · 发表于 2018-1-20 08:38:18

过去50年间，标准计算机处理器的速度不断提升。但近年来，这项技术的局限逐渐开始显露：芯片已经无法做得更小，元件也无法排得更紧，否则就会因重叠而短路。如果各大公司想继续提高计算机速度，就必须做出某些改变。
　　量子物理可谓是未来的一大希望。量子计算机的速度预计将远超信息时代的任何发明。但一项近期研究显示，量子计算机自身同样存在局限，并提出了一些突破这些局限的方法。
　　理解的局限
　　在物理学家看来，人类生活在所谓的“经典”世界中。大多数人仅称之为“世界”，并凭着本能理解物理现象。比如将球抛向空中，它一定会沿着抛物线轨迹落地。就算是在更复杂的情况下，人们对物体运作的原理依然一知半解。大多数人只知道汽车通过内燃机燃烧汽油产生能量，然后通过齿轮与轴承转动轮胎，使汽车向前行进。
　　按照经典物理学法则，上述过程必然存在理论局限，但这种上限高得难以企及。例如，我们知道汽车永远无法超越光速。无论地球上有多少燃料，也无论路有多长、建造工艺有多强，车速甚至连光速的十分之一都达不到。
　　人类永远无法达到实际的物理上限，但这些上限的确存在，并可以通过研究计算出来。不过，研究人员最近隐隐约约地意识到，虽然量子物理也存在局限，但却不知道如何将其运用到真实世界中。
　　海森堡不确定性原理
　　物理学家认为量子理论最早提出于1927年。当时德国物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）发现，经典物理学对极小的物体（即单个原子级别）并不适用。例如，如果把一个球抛向空中，很容易判断球所处位置和运动速度。但海森堡指出，对原子和亚原子粒子而言，这是行不通的。观察者要么只能看到它的位置，要么只能判断它的运动速度，但无法同时获得两项信息。
　　意识到这一点令人颇为不安。自从海森堡解释了这一概念，爱因斯坦和其他科学家就感到十分不快。要知道，这种“量子不确定性”并非由测量设备或工程缺陷导致，而是和我们大脑的运作方式有关。我们已经习惯了“经典世界”的运作规律，因此“量子世界”的物理机制难免超出了我们的接受范围。
　　进入量子世界
　　在量子世界中，如果一个物体从某处运动到另一处，研究人员无法确定它离开和到达的具体时刻。这一物理局限导致探测存在轻微时延。因此无论运动时间多短，我们总要稍过一会儿才能探测到这一变化。（这里所说的时间极为短暂，只有一秒的10[sup]15[/sup]分之一，但这期间可进行数万亿次计算机运算。）
　　而这一时延无疑大大降低了量子计算机可能达到的运算速度，因此被我们称为“量子速度限制”。
　　过去几年的研究显示，在不同条件下，量子速度限制也会有所不同，如使用不同类型的材料、采用不同的磁场和电场等。情况改变时，量子速度限制有时会稍高一些，有时则会稍低一些。
　　令人吃惊的是，科学家发现一些意想不到的因素也有助于提高运算速度，且常常与直觉相悖。
　　为理解这种情况，让我们想象一个粒子在水中的运动过程。在水中穿过时，粒子会将水分子推开。之后，水分子会立即回到原有位置，没留下任何粒子穿过的痕迹。
　　再想象一下粒子从蜂蜜中穿过的情景。蜂蜜比水粘稠得多，质地更厚重，流动得更慢，因此在粒子穿过后，蜂蜜分子要花更长时间才能回到原处。但在量子世界中，蜂蜜回流时会产生压力，推动粒子向前运行。这就使得粒子的实际运动速度与观察者预期的稍有不同。
　　设计量子计算机
　　随着研究人员对量子速度限制的理解愈发深入，量子计算机处理器的设计也自然会受其影响。就像此前的工程师设法缩小晶体管体积、将它们紧密排布在传统计算机芯片上一样，科学家需要进一步创新，才能使量子计算机系统达到最快，尽可能接近速度上限。
　　研究人员还有很多工作要做。目前，我们还不清楚量子速度限制是否高得难以企及，就像汽车永远达不到光速一样。我们对环境中的意外因素对量子运动的加速原理也不甚明白（比如上文列举的蜂蜜）。随着以量子物理为基础的技术愈发普遍，我们必须找出量子物理的真正局限，从而最大化地利用手头掌握的知识。