尽管量子计算机是一项年轻的技术，并尚未准备好用于日常实际应用，但研究人员已经在研究束缚量子技术的理论约束。研究人员已发现的一件事是，量子信息跨越任意量子设备的速度是有限的。

这种速度限制被称为Lieb-Robinson界限。对于某些任务，理论允许的最佳速度与任何人设计的最佳算法可能达到的速度之间存在差距。就好像没有汽车制造商能够弄清楚如何制造达到当地高速公路限速的模型。

但与道路上的限速不同，信息在匆忙时被限速是不容忽视的，它们是物理基本定律的必然结果。对于任意量子任务，相互作用在一定距离之外并产生影响(从而传递信息)的速度是有限的。这个基本规则定义了可能的最佳性能。通过这种方式，信息速度限制更像是老式街机游戏的最高分数，而不是交通法规，达到最高分数对科学家来说是一个诱人的奖励。

现在，由JQI(联合量子研究所)研究员Alexey Gorshkov领导的一组研究团队发现了一种量子协议，可以达到某些量子任务的理论速度限制。他们的结果为设计最佳量子算法提供了新思路，并证明了没有更低的、未被发现的限制会阻碍做出更好设计的尝试。Gorshkov也是量子信息与计算机科学联合中心(QuICS)的研究员和美国国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家，他的同事在最近发表在《物理评论X》杂志上的一篇文章中介绍了他们的新协议.

JQI联合量子研究所的Minh Tran也是QuICS的研究生、该文章的第一作者。他说：“最大速度和可实现速度之间的这种差距一直困扰着我们，因为我们不知道是界限松动了，还是我们不够聪明来改进协议。我们实际上没想到这个协议会如此强大。我们正在努力提高界限——但结果这是不可能的。所以，我们对这个成果感到兴奋。”

不出所料的话，在量子设备(如量子计算机)中发送信息的理论速度限制取决于设备的底层结构。新协议专为量子设备而设计，在这些设备中，量子计算机的基本构建块“量子比特”即使在彼此不相邻的情况下也会相互影响。特别是，该团队为量子比特设计了协议，这些量子比特的相互作用随着它们之间距离的增加而减弱。新协议适用于一系列不会减弱得太快的相互作用，涵盖了许多实用的量子技术构建块中的相互作用，包括氮空位中心、里德堡原子、极性分子和俘获离子。

而且至关重要的是，该协议可以将包含在未知量子​​态中的信息传输到遥远的量子比特，这是实现量子计算机所承诺的许多优势的基本特性。这限制了信息的传输方式，并排除了一些直接的方法，比如在新位置创建信息的副本（这需要知道正在传输的量子态）。

在该新协议中，存储在一个量子比特上的数据会通过一种被称为量子纠缠的现象与其邻居共享。然后，由于所有这些量子比特都有助于携带信息，因此它们会协同工作将其传播到其他量子比特组。因为涉及更多的量子比特，它们传输信息的速度更快。

可以重复此过程以不断生成更大的量子比特块，从而越来越快地传递信息。因此，量子比特不是像篮球队那样是将球传到球场一个接一个地直接传递信息，量子比特更像是雪花，在每一步后都组合成一个更大、更快速滚动的雪球。雪球越大，每次旋转时粘住的雪片就越多。

但这可能是与雪球相似之处结束的地方。与真正的雪球不同，量子集合也可以自行展开。当该过程反向运行时，信息会留在远处的量子比特上，并将所有其他量子比特返回到它们的原始状态。

当研究人员分析这个过程时，他们发现滚雪球状的量子比特在物理学允许的理论极限下沿着信息加速。由于该协议达到了之前证明的极限，未来的协议应该无法超越它。

Tran说：“新的地方是我们纠缠两个量子比特块的方式。以前有一个协议，是将信息纠缠到一个块中，然后尝试将第二个块中的量子比特单个地合并到其中。但现在因为我们在将第二个块中的量子比特合并到第一个块之前，也将它们纠缠在一起，所以增强效果会更大。”

该协议是团队探索同时移动存储在多个量子比特上的信息的可能性结果。他们意识到使用量子比特块来移动信息将提高协议的速度。

Tran说：“在实践中，该协议不仅使我们能够传播信息，而且还可以更快地纠缠粒子。而且我们知道，使用纠缠粒子可以做很多有趣的事情，比如以更高的精度进行测量和传感。快速移动信息也意味着可以更快地处理信息。构建量子计算机还有很多其他瓶颈，但是至少在基本限制方面，我们知道了什么是可能的，什么是不可能的。”

除了理论见解和可能的技术应用之外，该团队的数学结果还揭示了有关量子计算需要多大的新信息，以便模拟粒子与新协议中量子比特的相互作用。研究人员希望探索其他类型交互的局限性，并探索该协议的其他方面，例如它对干扰过程的噪声的鲁棒性。（编译:Qtech）