眾所周知，量子計(jì)算機(jī)最大的特點(diǎn)就是速度快。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)以比特（bit）作為存儲(chǔ)的信息單位，比特使用二進(jìn)制，一個(gè)比特表示的不是“0”就是“1”。但是，在量子計(jì)算機(jī)里，情況會(huì)變得完全不同，量子計(jì)算機(jī)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”，這意味著，量子計(jì)算機(jī)可以疊加所有可能的“0”和“1”組合，讓“1”和“0”的狀態(tài)同時(shí)存在。

相較于經(jīng)典計(jì)算，基于量子比特特性的量子計(jì)算機(jī)優(yōu)勢(shì)顯而易見。普通計(jì)算機(jī)中的2位寄存器一次只能存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子比特寄存器可以同時(shí)保持所有4個(gè)狀態(tài)的疊加。當(dāng)量子比特的數(shù)量為n個(gè)時(shí)，量子處理器對(duì)n個(gè)量子位執(zhí)行一個(gè)操作就相當(dāng)于對(duì)經(jīng)典位執(zhí)行2n個(gè)操作，這使得量子計(jì)算機(jī)的處理速度大大提升。

2019年，谷歌宣布率先實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。根據(jù)谷歌的論文，該團(tuán)隊(duì)將其量子計(jì)算機(jī)命名為“懸鈴木”，處理的問題大致可以理解為“判斷一個(gè)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是否真的隨機(jī)”。懸鈴木”包含53個(gè)量子比特的芯片，僅需花200秒就能對(duì)一個(gè)量子線路取樣一百萬(wàn)次，而相同的運(yùn)算量在當(dāng)今世界最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit上則需要1萬(wàn)年才能完成。

當(dāng)然，即便是被認(rèn)為具有史無(wú)前例的高速的量子計(jì)算，也有其極限。近日，以色列理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)嘗試突破量子物理學(xué)的邊界，就提出并證明量子計(jì)算機(jī)的速度極限。具體來看，研究團(tuán)隊(duì)通過使用快速物質(zhì)波的干涉測(cè)量法，跟蹤光阱中單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)測(cè)試了在多能級(jí)系統(tǒng)中的這兩個(gè)速度極限。

要理解為什么量子計(jì)算機(jī)會(huì)有速度限制，就要理解速度極限理論所應(yīng)用的領(lǐng)域。如前所述，量子計(jì)算機(jī)不會(huì)運(yùn)行0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)，即比特，而是使用量子位，或量子比特進(jìn)行運(yùn)算。量子位可以是任何類型的粒子，以色列理工學(xué)院在此次實(shí)驗(yàn)中使用的是銫原子，因?yàn)殇C原子的運(yùn)動(dòng)方式是可控的。

研究人員讓銫原子從一個(gè)薄碗的側(cè)面滾下來，觀察它們的運(yùn)動(dòng)。隨著一個(gè)量子位的移動(dòng)，它的量子信息在不斷地變化。而要確定量子計(jì)算機(jī)能以多快的速度計(jì)算，就意味著要找到信息在原子中開始變化的最初點(diǎn)。這就是為什么在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，需要將原子或物質(zhì)波放入疊加狀態(tài)，來觀察它們會(huì)如何變化。

多級(jí)量子系統(tǒng)中的量子速度極限團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，曼德爾斯坦和塔姆的速度限制始終限制著量子態(tài)的發(fā)展速度，而兩種速度極限的交叉會(huì)在更長(zhǎng)的時(shí)間后發(fā)生。因?yàn)榱Ｗ拥哪芰坑肋h(yuǎn)不可能被準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)，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(gè)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(yù)測(cè)的那樣，一個(gè)量子位能夠被處理的最快速度取決于其能量的不確定性，而更高的能量不確定性將導(dǎo)致速度極限更快到來。

但在量子物理學(xué)中，如果能量的不確定性高到足以達(dá)到原子的平均能量，那物質(zhì)就會(huì)停止加速，速度極限保持在平均能量。所以即使是量子計(jì)算機(jī)，也不是無(wú)限快的。這些研究成果對(duì)于理解量子計(jì)算機(jī)的最終性能和相關(guān)的量子技術(shù)具有重要意義。