如何設計量子計算機？科學(xué)家稱(chēng)其速度存在理論上限

　　北京時(shí)間1月19日消息 據國外媒體報道，過(guò)去50年間，標準計算機處理器的速度不斷提升。但近年來(lái)，這項技術(shù)的局限逐漸開(kāi)始顯露：芯片已經(jīng)無(wú)法做得更小，元件也無(wú)法排得更緊，否則就會(huì )因重疊而短路。如果各大公司想繼續提高計算機速度，就必須做出某些改變。

　　量子物理可謂是未來(lái)的一大希望。量子計算機的速度預計將遠超信息時(shí)代的任何發(fā)明。但一項近期研究顯示，量子計算機自身同樣存在局限，并提出了一些突破這些局限的方法。

　　理解的局限

　　在物理學(xué)家看來(lái)，人類(lèi)生活在所謂的“經(jīng)典”世界中。大多數人僅稱(chēng)之為“世界”，并憑著(zhù)本能理解物理現象。比如將球拋向空中，它一定會(huì )沿著(zhù)拋物線(xiàn)軌跡落地。就算是在更復雜的情況下，人們對物體運作的原理依然一知半解。大多數人只知道汽車(chē)通過(guò)內燃機燃燒汽油產(chǎn)生能量，然后通過(guò)齒輪與軸承轉動(dòng)輪胎，使汽車(chē)向前行進(jìn)。

　　按照經(jīng)典物理學(xué)法則，上述過(guò)程必然存在理論局限，但這種上限高得難以企及。例如，我們知道汽車(chē)永遠無(wú)法超越光速。無(wú)論地球上有多少燃料，也無(wú)論路有多長(cháng)、建造工藝有多強，車(chē)速甚至連光速的十分之一都達不到。

　　人類(lèi)永遠無(wú)法達到實(shí)際的物理上限，但這些上限的確存在，并可以通過(guò)研究計算出來(lái)。不過(guò)，研究人員最近隱隱約約地意識到，雖然量子物理也存在局限，但卻不知道如何將其運用到真實(shí)世界中。

　　海森堡不確定性原理

　　物理學(xué)家認為量子理論最早提出于1927年。當時(shí)德國物理學(xué)家維爾納·海森堡(Werner Heisenberg)發(fā)現，經(jīng)典物理學(xué)對極小的物體(即單個(gè)原子級別)并不適用。例如，如果把一個(gè)球拋向空中，很容易判斷球所處位置和運動(dòng)速度。但海森堡指出，對原子和亞原子粒子而言，這是行不通的。觀(guān)察者要么只能看到它的位置，要么只能判斷它的運動(dòng)速度，但無(wú)法同時(shí)獲得兩項信息。

　　意識到這一點(diǎn)令人頗為不安。自從海森堡解釋了這一概念，愛(ài)因斯坦和其他科學(xué)家就感到十分不快。要知道，這種“量子不確定性”并非由測量設備或工程缺陷導致，而是和我們大腦的運作方式有關(guān)。我們已經(jīng)習慣了“經(jīng)典世界”的運作規律，因此“量子世界”的物理機制難免超出了我們的接受范圍。

　　進(jìn)入量子世界

　　在量子世界中，如果一個(gè)物體從某處運動(dòng)到另一處，研究人員無(wú)法確定它離開(kāi)和到達的具體時(shí)刻。這一物理局限導致探測存在輕微時(shí)延。因此無(wú)論運動(dòng)時(shí)間多短，我們總要稍過(guò)一會(huì )兒才能探測到這一變化。(這里所說(shuō)的時(shí)間極為短暫，只有一秒的1015分之一，但這期間可進(jìn)行數萬(wàn)億次計算機運算。)

　　而這一時(shí)延無(wú)疑大大降低了量子計算機可能達到的運算速度，因此被我們稱(chēng)為“量子速度限制”。

　　過(guò)去幾年的研究顯示，在不同條件下，量子速度限制也會(huì )有所不同，如使用不同類(lèi)型的材料、采用不同的磁場(chǎng)和電場(chǎng)等。情況改變時(shí)，量子速度限制有時(shí)會(huì )稍高一些，有時(shí)則會(huì )稍低一些。

　　令人吃驚的是，科學(xué)家發(fā)現一些意想不到的因素也有助于提高運算速度，且常常與直覺(jué)相悖。

　　為理解這種情況，讓我們想象一個(gè)粒子在水中的運動(dòng)過(guò)程。在水中穿過(guò)時(shí)，粒子會(huì )將水分子推開(kāi)。之后，水分子會(huì )立即回到原有位置，沒(méi)留下任何粒子穿過(guò)的痕跡。

　　再想象一下粒子從蜂蜜中穿過(guò)的情景。蜂蜜比水粘稠得多，質(zhì)地更厚重，流動(dòng)得更慢，因此在粒子穿過(guò)后，蜂蜜分子要花更長(cháng)時(shí)間才能回到原處。但在量子世界中，蜂蜜回流時(shí)會(huì )產(chǎn)生壓力，推動(dòng)粒子向前運行。這就使得粒子的實(shí)際運動(dòng)速度與觀(guān)察者預期的稍有不同。

　　設計量子計算機

　　隨著(zhù)研究人員對量子速度限制的理解愈發(fā)深入，量子計算機處理器的設計也自然會(huì )受其影響。就像此前的工程師設法縮小晶體管體積、將它們緊密排布在傳統計算機芯片上一樣，科學(xué)家需要進(jìn)一步創(chuàng )新，才能使量子計算機系統達到最快，盡可能接近速度上限。

　　研究人員還有很多工作要做。目前，我們還不清楚量子速度限制是否高得難以企及，就像汽車(chē)永遠達不到光速一樣。我們對環(huán)境中的意外因素對量子運動(dòng)的加速原理也不甚明白(比如上文列舉的蜂蜜)。隨著(zhù)以量子物理為基礎的技術(shù)愈發(fā)普遍，我們必須找出量子物理的真正局限，從而最大化地利用手頭掌握的知識。