波恩大学
物质波滚下陡峭势山的艺术插图
信用:恩里克·萨哈贡-西塞尔 哪些因素决定了量子计算机执行计算的速度？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
这项研究的结果发表在《科学进展》杂志上
量子计算机是高度复杂的机器，依靠量子力学的原理来处理信息
这将使他们能够在未来处理传统计算机完全无法解决的某些问题
但是，即使对于量子计算机来说，基本的限制也适用于它们在给定时间内可以处理的数据量
量子门需要最短的时间 存储在传统计算机中的信息可以被认为是一长串0和1，即比特
在量子力学中则不同:信息存储在量子位中，量子位类似于一个波，而不是一系列离散的值
当物理学家想要精确地表示量子比特中包含的信息时，他们也会谈到波函数
在传统的计算机中，信息通过所谓的门连接在一起
组合几个门可以进行基本计算，例如增加两位
在量子计算机中，信息的处理方式非常相似，量子门按照一定的规则改变波函数
量子门在另一个方面类似于他们的传统亲戚:“即使在量子世界中，门也不会无限快地工作，”博士解释说
波恩大学应用物理研究所的安德里亚·阿尔贝提
“它们需要最少的时间来转换波函数及其包含的信息
" 70多年前，苏联物理学家列昂尼德·曼德尔斯塔姆和伊戈尔·塔姆从理论上推导出了波函数变换的最短时间
波恩大学和技术学院的物理学家现在已经通过一个复杂量子系统的实验首次研究了曼德尔斯塔姆-塔姆极限
为此，他们使用了以高度受控方式移动的铯原子
领导这项实验研究的阿尔贝提解释说:“在实验中，我们让单个原子像光碗中的弹珠一样滚下来，观察它们的运动。”
原子可以被量子力学描述为物质波
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这种“变形”最早何时能被识别出来
这一次将是曼德尔斯塔姆-塔姆极限的实验证明
然而，问题是:在量子世界中，原子位置的每一次测量都不可避免地以不可预测的方式改变物质波
所以不管测量速度有多快，大理石看起来总是变形的
“因此，我们设计了一种不同的方法来检测与初始状态的偏差，”阿尔贝提说
为此，研究人员首先制造了物质波的克隆体，换句话说，几乎是一对孪生体
“我们利用快速光脉冲创造了所谓的原子两种状态的量子叠加，”Technion的博士生、该研究的第一作者Gal Ness解释道
形象地说，原子的行为就好像它同时有两种不同的颜色
根据颜色的不同，每个原子孪晶在光碗中占据不同的位置:一个在边缘高处，从那里“滚”下来
相反，另一个已经在碗底了
这个孪生体不会移动——毕竟，它不能卷起墙壁，所以不会改变它的波函数
物理学家定期比较这两个克隆体
他们使用一种叫做量子干涉的技术来实现这一点，这种技术可以非常精确地探测到波的差异
这使得他们能够确定物质波在什么时间之后首次发生显著变形
两个因素决定了速度限制 通过在实验开始时改变碗底部以上的高度，物理学家也能够控制原子的平均能量
平均，因为原则上，金额无法准确确定
因此，原子的“位置能量”总是不确定的
“我们能够证明物质波变化的最小时间取决于这种能量的不确定性，”领导Technion合作团队的Yoav Sagi教授说:“不确定性越大，曼德尔斯塔姆-塔姆时间越短
" 这正是两位苏联物理学家所预测的
但是还有第二个影响:如果能量的不确定性越来越大，直到超过原子的平均能量，那么最短时间不会进一步减少——这与曼德尔斯塔姆-塔姆极限实际上暗示的相反
物理学家因此证明了第二个速度极限，这是大约20年前在理论上发现的
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
“这是第一次可以为一个复杂的量子系统测量两个量子速度边界，甚至在一个单独的实验中，”阿尔贝提热情洋溢地说
未来的量子计算机可能能够快速解决问题，但它们也会受到这些基本限制的限制
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