哪些因素决定了量子计算机执行运算的速度呢？德国波恩大学和以色列理工学院的物理学家设计了一个优雅的实验来回答这个问题。该研究结果发表在了近期的《科学进展》杂志上。

量子计算机是高度复杂的机器，它依靠量子力学原理来处理信息。这将使它们能够在未来处理某些经典计算机完全无法解决的问题。但即使对于量子计算机来说，它们在给定时间内可以处理的数据量也受到基本限制。

量子门需要的最短时间

存储在经典计算机中的信息可以被认为是一长串的0和1，即比特信息。在量子计算机中则不同，信息存储在量子比特(qubits)中，量子比特类似于波，而不是一系列的离散值。当物理学家想要精确地表示包含在量子比特中的信息时，他们会谈到波函数。

在经典计算机中，信息通过所谓的门链接在一起，组合多个门可以进行基本计算。在量子计算机中信息以非常相似的方式进行处理，其中量子门根据某些规则来改变波函数。

量子门在另一个方面类似于它们的经典“亲戚”。波恩大学应用物理研究所的Andrea Alberti博士解释说：“即使在量子世界中，门也不会无限快地工作。他们需要最短的时间来转换波函数及其包含的信息。”

70多年前，苏联物理学家Leonid Mandelstam和Igor Tamm从理论上推导出了波函数变换的最短时间。波恩大学和以色列理工学院的物理学家现在首次通过复杂量子系统的实验研究了这个所谓的Mandelstam-Tamm极限。为此，他们使用了以高度可控的方式移动的铯原子。领导实验研究的Alberti解释说：“在实验中，我们让单个原子像光碗中的弹珠一样滚下并观察它们的运动。”

原子可以在量子力学上被描述为物质波。在到达光碗底部的过程中，它们的量子信息发生了变化。研究人员现在想知道最早何时可以确定这种“变形”。这一次将是Mandelstam-Tamm极限的实验证明。然而问题在于，在量子世界中，对原子位置的每次测量都不可避免地以不可预测的方式改变了物质波。因此，无论进行多快的测量，它总是看起来像大理石已经变形。Alberti说：“因此，我们设计了一种不同的方法来检测与初始态间的偏差。”

为此，研究人员首先制作了一个物质波的克隆，换句话说，它是一个几乎完全相同的孪生体。以色列理工学院的博士生、该研究的第一作者Gal Ness解释说：“我们使用快速光脉冲来创建原子两种状态的量子叠加。形象地说，原子的行为就好像它同时具有两种不同的颜色。”

根据颜色的不同，每个原子双胞胎在光碗中会占据不同的位置：一个在边缘高处并从那里“滚动”下来。相反，另一个已经在碗的底部。这个孪生不会移动，毕竟它不能卷起墙壁，因此不会改变它的波函数。

物理学家定期比较了这两个克隆。他们使用一种被称为量子干涉的技术来做到这一点，该技术可以非常精确地检测波的差异。这使他们能够确定物质波首次发生显着变形的时间。

两个因素决定了速度极限

通过在实验开始时改变碗底上方的高度，物理学家还能够控制原子的平均能量。之所以是平均能量是因为物理原则上无法准确的确定值。因此，原子的“位置能量”总是不确定的。以色列理工学院该合作伙伴团队的负责人Yoav Sagi教授说：“我们能够证明，物质波变化的最短时间取决于这种能量的不确定性。不确定性越大，Mandelstam-Tamm极限时间就越短。”

这正是前两位苏联物理学家所预测的。但还有第二个影响：如果能量不确定性越来越大，直到超过了原子的平均能量，那么最短时间不会进一步减少，这与Mandelstam-Tamm极限实际暗示的要相反。物理学家因此证明了第二个速度极限，这是在大约20年前的理论上发现的。因此，量子世界的极限速度不仅取决于能量的不确定性，还取决于平均能量。

Alberti兴奋地说道：“这是第一次可以测量复杂量子系统的两个量子速度边界，而且是在一个实验中完成”。未来的量子计算机可能能够快速的解决问题，但它们也将受到这些基本限制的约束。（编译:Qtech）