如何設計量子計算機?科學家稱其速度存在理論上限
據(jù)國外媒體報道,過去50年間,標準計算機處理器的速度不斷提升。但近年來,這項技術的局限逐漸開始顯露:芯片已經無法做得更小,元件也無法排得更緊,否則就會因重疊而短路。如果各大公司想繼續(xù)提高計算機速度,就必須做出某些改變。
量子物理可謂是未來的一大希望。量子計算機的速度預計將遠超信息時代的任何發(fā)明。但一項近期研究顯示,量子計算機自身同樣存在局限,并提出了一些突破這些局限的方法。
理解的局限
在物理學家看來,人類生活在所謂的“經典”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,它一定會沿著拋物線軌跡落地。就算是在更復雜的情況下,人們對物體運作的原理依然一知半解。大多數(shù)人只知道汽車通過內燃機燃燒汽油產生能量,然后通過齒輪與軸承轉動輪胎,使汽車向前行進。
按照經典物理學法則,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,我們知道汽車永遠無法超越光速。無論地球上有多少燃料,也無論路有多長、建造工藝有多強,車速甚至連光速的十分之一都達不到。
人類永遠無法達到實際的物理上限,但這些上限的確存在,并可以通過研究計算出來。不過,研究人員最近隱隱約約地意識到,雖然量子物理也存在局限,但卻不知道如何將其運用到真實世界中。
海森堡不確定性原理
物理學家認為量子理論最早提出于1927年。當時德國物理學家維爾納·海森堡(Werner Heisenberg)發(fā)現(xiàn),經典物理學對極小的物體(即單個原子級別)并不適用。例如,如果把一個球拋向空中,很容易判斷球所處位置和運動速度。但海森堡指出,對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動速度,但無法同時獲得兩項信息。
意識到這一點令人頗為不安。自從海森堡解釋了這一概念,愛因斯坦和其他科學家就感到十分不快。要知道,這種“量子不確定性”并非由測量設備或工程缺陷導致,而是和我們大腦的運作方式有關。我們已經習慣了“經典世界”的運作規(guī)律,因此“量子世界”的物理機制難免超出了我們的接受范圍。
進入量子世界
在量子世界中,如果一個物體從某處運動到另一處,研究人員無法確定它離開和到達的具體時刻。這一物理局限導致探測存在輕微時延。因此無論運動時間多短,我們總要稍過一會兒才能探測到這一變化。(這里所說的時間極為短暫,只有一秒的1015分之一,但這期間可進行數(shù)萬億次計算機運算。)
而這一時延無疑大大降低了量子計算機可能達到的運算速度,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,量子速度限制也會有所不同,如使用不同類型的材料、采用不同的磁場和電場等。情況改變時,量子速度限制有時會稍高一些,有時則會稍低一些。
令人吃驚的是,科學家發(fā)現(xiàn)一些意想不到的因素也有助于提高運算速度,且常常與直覺相悖。
為理解這種情況,讓我們想象一個粒子在水中的運動過程。在水中穿過時,粒子會將水分子推開。之后,水分子會立即回到原有位置,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,質地更厚重,流動得更慢,因此在粒子穿過后,蜂蜜分子要花更長時間才能回到原處。但在量子世界中,蜂蜜回流時會產生壓力,推動粒子向前運行。這就使得粒子的實際運動速度與觀察者預期的稍有不同。
設計量子計算機
隨著研究人員對量子速度限制的理解愈發(fā)深入,量子計算機處理器的設計也自然會受其影響。就像此前的工程師設法縮小晶體管體積、將它們緊密排布在傳統(tǒng)計算機芯片上一樣,科學家需要進一步創(chuàng)新,才能使量子計算機系統(tǒng)達到最快,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,就像汽車永遠達不到光速一樣。我們對環(huán)境中的意外因素對量子運動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的技術愈發(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。(葉子)
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