光碗中的量子弹珠

物质波从陡峭的潜山上滚下的艺术插图。作者：Enrique Sahagún–Scixel

哪些因素决定了量子计算机的计算速度？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。研究结果发表在期刊上科学进步.

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某些传统计算机无法解决的问题。但即使对于量子计算机，基本的限制也适用于它们在给定条件下可以处理的数据量时间.

量子门需要最少的时间

传统计算机中存储的信息可以看作是一长串的零和一，即位。在量子力学不同的是：信息存储在量子比特中，量子比特类似于波而不是一系列离散值。物理学家也谈到波函数当他们想精确地表示量子位中包含的信息时。

在传统的计算机中，信息通过所谓的门连接在一起。组合多个门允许进行基本计算，例如两个位的加法。在量子计算机中，信息的处理方式非常相似量子门根据一定的规律改变波函数。

波恩大学应用物理研究所的安德烈·阿尔贝蒂博士解释道：“即使在量子世界里，量子门也不会无限快地工作。”。“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Leonid Mandelstam和Igor Tamm从理论上推导出了转换波函数的最短时间。波恩大学和理工学院的物理学家们首次在复杂量子系统上进行了实验，研究了曼德尔斯塔姆-塔姆极限。为此，他们用稳定性比铯原子钟以高度控制的方式移动。“在实验中，我们让单个原子像弹珠一样在一个光碗里滚动，观察它们的运动，”领导这项实验研究的阿尔贝蒂解释说。

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，问题在于：在量子世界中，原子位置的每一次测量都不可避免地以一种不可预测的方式改变物质波。所以不管测量的速度有多快，大理石看起来总是变形了。“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，”阿尔贝蒂说。

为此，研究人员首先制造了一个物质波的克隆体，换句话说，几乎是一对孪生体。“我们用快速光脉冲创造了原子两种状态的所谓量子叠加，”Technion的博士生、该研究的第一作者Galness解释道。“形象地说，原子的行为好像同时有两种不同的颜色。”根据颜色的不同，每个孪生原子在光碗中的位置不同：一个在边缘的高处，从那里“滚”下来。另一个，相反，已经在碗的底部。这对孪晶终究不会移动，它不能卷起墙壁，所以不会改变它的波函数。

物理学家定期比较两个克隆体。他们使用了一种叫做量子干涉的技术，这种技术可以非常精确地检测到波的差异。一个重要的变形使它们能够确定在这之后第一次发生了什么。

两个因素决定了速度限制

通过在实验开始时改变碗底以上的高度，物理学家们也能够控制原子的平均能量。平均数，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发生变化的最短时间取决于这种能量的不确定性，”Technion的合作伙伴团队负责人Yoav Sagi教授说：“不确定性越大，Mandelstam-Tamm时间越短。”

这正是两位苏联物理学家所预言的。但还有第二个影响：如果能量不确定性越来越大，直到超过原子的平均能量，那么最短时间并没有进一步减少，这与曼德尔斯塔姆-塔姆极限的实际建议相反。物理学家因此证明了第二个速度限制，这是20年前理论上发现的。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。

阿尔贝蒂热情地说：“这是第一次在一个复杂的量子系统中测量两个量子速度边界，甚至是在一个单独的实验中。”。未来的量子计算机也许能够迅速解决问题，但它们也将受到这些基本限制的限制。