陳根：量子計算，極限在哪？_風聞

文/陳根

**眾所周知，**量子計算機最大的特點就是速度快。

經典計算機以比特（bit）作為存儲的信息單位，比特使用二進制，一個比特表示的不是“0”就是“1”。但是，在量子計算機裏，情況會變得完全不同，量子計算機以量子比特（qubit）為信息單位，量子比特可以表示“0”，也可以表示“1”，**還可以做到“既1又0”，這意味着，量子計算機可以疊加所有可能的“0”和“1”組合，讓“1”和“0”**的狀態同時存在。

相較於經典計算，基於量子比特特性的量子計算機優勢顯而易見。普通計算機中的2位寄存器一次只能存儲一個二進制數，而量子計算機中的2位量子比特寄存器可以同時保持所有4個狀態的疊加。當量子比特的數量為n個時，量子處理器對n個量子位執行一個操作就相當於對經典位執行2n個操作，這使得量子計算機的處理速度大大提升。

2019年，谷歌宣佈率先實現“量子霸權”。根據谷歌的論文，該團隊將其量子計算機命名為“懸鈴木”，處理的問題大致可以理解為“判斷一個量子隨機數發生器是否真的隨機”。懸鈴木**”包含53個量子比特的芯片，僅需花200秒就能對一個量子線路取樣一百萬次，而相同的運算量在當今世界最大的超級計算機Summit上則需要1萬年才能完成**。

當然，即便是被認為具有史無前例的高速的量子計算，也有其極限。近日，以色列理工學院團隊嘗試突破量子物理學的邊界，就提出並證明量子計算機的速度極限。**具體來看，**研究團隊通過使用快速物質波的干涉測量法，跟蹤光阱中單個原子的運動，同時測試了在多能級系統中的這兩個速度極限。

要理解為什麼量子計算機會有速度限制，就要理解速度極限理論所應用的領域。如前所述，量子計算機不會運行0和1的二進制系統，即比特，而是使用量子位，或量子比特進行運算。量子位可以是任何類型的粒子，以色列理工學院在此次實驗中使用的是銫原子，因為銫原子的運動方式是可控的。

研究人員讓銫原子從一個薄碗的側面滾下來，觀察它們的運動。隨着一個量子位的移動，它的量子信息在不斷地變化。而要確定量子計算機能以多快的速度計算，就意味着要找到信息在原子中開始變化的最初點。這就是為什麼在實驗開始時，需要將原子或物質波放入疊加狀態，來觀察它們會如何變化。

多級量子系統中的量子速度極限團隊發現，曼德爾斯坦和塔姆的速度限制始終限制着量子態的發展速度，而兩種速度極限的交叉會在更長的時間後發生。因為粒子的能量永遠不可能被準確地發現，所以它總是取平均值。

曼德爾斯坦和塔姆提出的速度限制(MT Bound)和馬爾高拉斯-萊維丁定律（ML Bound）是兩個著名的量子速度極限理論，正如曼德爾斯坦和塔姆的速度限制所預測的那樣，一個量子位能夠被處理的最快速度取決於其能量的不確定性，而更高的能量不確定性將導致速度極限更快到來。

但在量子物理學中，如果能量的不確定性高到足以達到原子的平均能量，那物質就會停止加速，速度極限保持在平均能量。所以即使是量子計算機，也不是無限快的。這些研究成果對於理解量子計算機的最終性能和相關的量子技術具有重要意義。