物質波從陡峭的潛山上滾下的藝術插圖。作者：Enrique Sahagún–Scixel
哪些因素決定了量子計算機的計算速度？波恩大學和以色列理工學院的物理學家設計了一個優雅的實驗來回答這個問題。研究結果發表在期刊上科學進步.
量子計算機是高度複雜的機器，依靠量子力學的原理來處理資訊。這將使他們能夠在未來處理某些傳統計算機無法解決的問題。但即使對於量子計算機，基本的限制也適用於它們在給定條件下可以處理的資料量時間.
量子門需要最少的時間
傳統計算機中儲存的資訊可以看作是一長串的零和一，即位。在量子力學不同的是：資訊儲存在量子位元中，量子位元類似於波而不是一系列離散值。物理學家也談到波函式當他們想精確地表示量子位中包含的資訊時。
在傳統的計算機中，資訊透過所謂的門連線在一起。組合多個門允許進行基本計算，例如兩個位的加法。在量子計算機中，資訊的處理方式非常相似量子門根據一定的規律改變波函式。
波恩大學應用物理研究所的安德烈·阿爾貝蒂博士解釋道：“即使在量子世界裡，量子門也不會無限快地工作。”。“它們需要最少的時間來轉換波函式及其包含的資訊。”
70多年前，蘇聯物理學家Leonid Mandelstam和Igor Tamm從理論上推匯出了轉換波函式的最短時間。波恩大學和理工學院的物理學家們首次在複雜量子系統上進行了實驗，研究了曼德爾斯塔姆-塔姆極限。為此，他們用穩定性比銫原子鐘以高度控制的方式移動。“在實驗中，我們讓單個原子像彈珠一樣在一個光碗裡滾動，觀察它們的運動，”領導這項實驗研究的阿爾貝蒂解釋說。
原子可以被量子力學描述為物質波。在到達光碗底部的過程中，它們的量子資訊發生了變化。研究人員現在想知道這種“變形”最早何時能被識別出來。這一次將是曼德爾斯塔姆-塔姆極限的實驗證明。然而，問題在於：在量子世界中，原子位置的每一次測量都不可避免地以一種不可預測的方式改變物質波。所以不管測量的速度有多快，大理石看起來總是變形了。“因此，我們設計了一種不同的方法來檢測與初始狀態的偏差，”阿爾貝蒂說。
為此，研究人員首先製造了一個物質波的克隆體，換句話說，幾乎是一對孿生體。“我們用快速光脈衝創造了原子兩種狀態的所謂量子疊加，”Technion的博士生、該研究的第一作者Galness解釋道。“形象地說，原子的行為好像同時有兩種不同的顏色。”根據顏色的不同，每個孿生原子在光碗中的位置不同：一個在邊緣的高處，從那裡“滾”下來。另一個，相反，已經在碗的底部。這對孿晶終究不會移動，它不能捲起牆壁，所以不會改變它的波函式。
物理學家定期比較兩個克隆體。他們使用了一種叫做量子干涉的技術，這種技術可以非常精確地檢測到波的差異。一個重要的變形使它們能夠確定在這之後第一次發生了什麼。
兩個因素決定了速度限制
透過在實驗開始時改變碗底以上的高度，物理學家們也能夠控制原子的平均能量。平均數，因為原則上，金額無法準確確定。因此，原子的“位置能量”總是不確定的。“我們能夠證明物質波發生變化的最短時間取決於這種能量的不確定性，”Technion的合作伙伴團隊負責人Yoav Sagi教授說：“不確定性越大，Mandelstam-Tamm時間越短。”
這正是兩位蘇聯物理學家所預言的。但還有第二個影響：如果能量不確定性越來越大，直到超過原子的平均能量，那麼最短時間並沒有進一步減少，這與曼德爾斯塔姆-塔姆極限的實際建議相反。物理學家因此證明了第二個速度限制，這是20年前理論上發現的。因此，量子世界的極限速度不僅取決於能量的不確定性，還取決於平均能量。
阿爾貝蒂熱情地說：“這是第一次在一個複雜的量子系統中測量兩個量子速度邊界，甚至是在一個單獨的實驗中。”。未來的量子計算機也許能夠迅速解決問題，但它們也將受到這些基本限制的限制。
