如何設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)？科學(xué)家稱其速度存在理論上限

　　北京時(shí)間1月19日消息 據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，過去50年間，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)處理器的速度不斷提升。但近年來，這項(xiàng)技術(shù)的局限逐漸開始顯露：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(xù)提高計(jì)算機(jī)速度，就必須做出某些改變。

　　量子物理可謂是未來的一大希望。量子計(jì)算機(jī)的速度預(yù)計(jì)將遠(yuǎn)超信息時(shí)代的任何發(fā)明。但一項(xiàng)近期研究顯示，量子計(jì)算機(jī)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，人類生活在所謂的“經(jīng)典”世界中。大多數(shù)人僅稱之為“世界”，并憑著本能理解物理現(xiàn)象。比如將球拋向空中，它一定會(huì)沿著拋物線軌跡落地。就算是在更復(fù)雜的情況下，人們對(duì)物體運(yùn)作的原理依然一知半解。大多數(shù)人只知道汽車通過內(nèi)燃機(jī)燃燒汽油產(chǎn)生能量，然后通過齒輪與軸承轉(zhuǎn)動(dòng)輪胎，使汽車向前行進(jìn)。

　　按照經(jīng)典物理學(xué)法則，上述過程必然存在理論局限，但這種上限高得難以企及。例如，我們知道汽車永遠(yuǎn)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(zhǎng)、建造工藝有多強(qiáng)，車速甚至連光速的十分之一都達(dá)不到。

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

　　海森堡不確定性原理

　　物理學(xué)家認(rèn)為量子理論最早提出于1927年。當(dāng)時(shí)德國(guó)物理學(xué)家維爾納·海森堡(Werner Heisenberg)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典物理學(xué)對(duì)極小的物體(即單個(gè)原子級(jí)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(yùn)動(dòng)速度。但海森堡指出，對(duì)原子和亞原子粒子而言，這是行不通的。觀察者要么只能看到它的位置，要么只能判斷它的運(yùn)動(dòng)速度，但無(wú)法同時(shí)獲得兩項(xiàng)信息。

　　意識(shí)到這一點(diǎn)令人頗為不安。自從海森堡解釋了這一概念，愛因斯坦和其他科學(xué)家就感到十分不快。要知道，這種“量子不確定性”并非由測(cè)量設(shè)備或工程缺陷導(dǎo)致，而是和我們大腦的運(yùn)作方式有關(guān)。我們已經(jīng)習(xí)慣了“經(jīng)典世界”的運(yùn)作規(guī)律，因此“量子世界”的物理機(jī)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(yùn)動(dòng)到另一處，研究人員無(wú)法確定它離開和到達(dá)的具體時(shí)刻。這一物理局限導(dǎo)致探測(cè)存在輕微時(shí)延。因此無(wú)論運(yùn)動(dòng)時(shí)間多短，我們總要稍過一會(huì)兒才能探測(cè)到這一變化。(這里所說的時(shí)間極為短暫，只有一秒的1015分之一，但這期間可進(jìn)行數(shù)萬(wàn)億次計(jì)算機(jī)運(yùn)算。)

　　而這一時(shí)延無(wú)疑大大降低了量子計(jì)算機(jī)可能達(dá)到的運(yùn)算速度，因此被我們稱為“量子速度限制”。

　　過去幾年的研究顯示，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(xiàn)一些意想不到的因素也有助于提高運(yùn)算速度，且常常與直覺相悖。

　　為理解這種情況，讓我們想象一個(gè)粒子在水中的運(yùn)動(dòng)過程。在水中穿過時(shí)，粒子會(huì)將水分子推開。之后，水分子會(huì)立即回到原有位置，沒留下任何粒子穿過的痕跡。

　　再想象一下粒子從蜂蜜中穿過的情景。蜂蜜比水粘稠得多，質(zhì)地更厚重，流動(dòng)得更慢，因此在粒子穿過后，蜂蜜分子要花更長(zhǎng)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(yùn)行。這就使得粒子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度與觀察者預(yù)期的稍有不同。

　　設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)

　　隨著研究人員對(duì)量子速度限制的理解愈發(fā)深入，量子計(jì)算機(jī)處理器的設(shè)計(jì)也自然會(huì)受其影響。就像此前的工程師設(shè)法縮小晶體管體積、將它們緊密排布在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片上一樣，科學(xué)家需要進(jìn)一步創(chuàng)新，才能使量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)達(dá)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，就像汽車永遠(yuǎn)達(dá)不到光速一樣。我們對(duì)環(huán)境中的意外因素對(duì)量子運(yùn)動(dòng)的加速原理也不甚明白(比如上文列舉的蜂蜜)。隨著以量子物理為基礎(chǔ)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(shí)。