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速度加快的量子計算機(jī),有沒有極限?

2022-01-18
來源:陳述根本
關(guān)鍵詞: 量子 計算機(jī) 寄存器 谷歌

眾所周知,量子計算機(jī)最大的特點(diǎn)就是速度快。

經(jīng)典計算機(jī)以比特(bit)作為存儲的信息單位,比特使用二進(jìn)制,一個比特表示的不是“0”就是“1”。但是,在量子計算機(jī)里,情況會變得完全不同,量子計算機(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)同時存在。

相較于經(jīng)典計算,基于量子比特特性的量子計算機(jī)優(yōu)勢顯而易見。普通計算機(jī)中的2位寄存器一次只能存儲一個二進(jìn)制數(shù),而量子計算機(jī)中的2位量子比特寄存器可以同時保持所有4個狀態(tài)的疊加。當(dāng)量子比特的數(shù)量為n個時,量子處理器對n個量子位執(zhí)行一個操作就相當(dāng)于對經(jīng)典位執(zhí)行2n個操作,這使得量子計算機(jī)的處理速度大大提升。

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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(yùn)算量在當(dāng)今世界最大的超級計算機(jī)Summit上則需要1萬年才能完成。

當(dāng)然,即便是被認(rèn)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(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)波的干涉測量法,跟蹤光阱中單個原子的運(yùn)動,同時測試了在多能級系統(tǒng)中的這兩個速度極限。

要理解為什么量子計算機(jī)會有速度限制,就要理解速度極限理論所應(yīng)用的領(lǐng)域。如前所述,量子計算機(jī)不會運(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)動方式是可控的。

研究人員讓銫原子從一個薄碗的側(cè)面滾下來,觀察它們的運(yùn)動。隨著一個量子位的移動,它的量子信息在不斷地變化。而要確定量子計算機(jī)能以多快的速度計算,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,需要將原子或物質(zhì)波放入疊加狀態(tài),來觀察它們會如何變化。

多級量子系統(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在更長的時間后發(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)測的那樣,一個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(jī),也不是無限快的。這些研究成果對于理解量子計算機(jī)的最終性能和相關(guān)的量子技術(shù)具有重要意義。




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