量子計算機可以有多快?

2018.01.26 03:34PM
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草根影響力新視野 鍾藝編譯

在過去的五十年,計算機的處理器運行速度變得越來越快,但近幾年,計算機界遇到了發展的「瓶頸期」:如果要製造出更快的電腦,那麼晶元就要變得更小,各種線路的鋪排要更加節省空間。但是以現在的情況來看,基本上不太可能再進行大範圍的縮小。

所以未來計算速度提升的關鍵點就是量子物理學的應用。科學家預計,量子計算機會比迄今為止的所有電子產品運行速度都要快得多。不過,它的研發面臨著很多重大問題,未來研發之路困難重重。

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理解的界限

對於物理學家來說,我們人類生活在所謂的「古典」世界裡。這個世界有明確的物理學定律,比如蘋落地,汽車可以通過燃燒汽油來獲得能量並發動。但實際上人們對於物理的理解還很粗淺,因為我們並未真正遇到過物理世界的極限—那些真實存在,但是我們不知道如何在現實生活中應用的概念,其中就有量子物理學,至今它還是一個模糊的未知領域。

海森堡的「不確定性」

物理學對量子理論的研究歷史可以追溯到1927年,當時德國物理學家海森堡(Werner Heisenberg)指出,古典物理學方法不適用於非常小的物體。例如,當擲球時,很容易可以確定球的位置以及移動的速度,但是原子和亞原子粒子並非如此,觀察者並不能同時看到它們的位置或移動軌跡。在量子學領域最大的問題是我們的大腦對物理世界的認識機理,我們已經逐漸習慣了古典物理學世界的運作邏輯,「量子世界」的實際物理機制簡直超出了我們的掌控能力。

進入未知的量子世界

如果量子世界中的某個物體從一個地方移動到另一個地方,研究人員是無法精確地衡量它何時離開,什麼時候到達的。除此以外,也無法準確了解到粒子的移動速度是由什麼因素決定的,各種因素是如何影響粒子運動速度的。

在過去的幾年中,科學家們在不同的磁場、電場、材料中探索量子速度極限,但是每一種場景設定下的測量結果都不一樣。科學家們甚至發現,某些因素有時會以違反人類原本認知的方式來加快粒子的移動速度。

舉個例子,大家會更容易明白一些。想像一個粒子在水中移動的場景:粒子在水分子中移動的過程就是不斷取代前一個水分子原有位置的過程。在粒子移動完成之後,水分子又會迅速迴流到原來的位置。但如果是粒子是在質地更為粘稠的蜂蜜中移動,蜂蜜的分子要花更長時間去「讓位」給粒子,也需要更長時間才能迴流到原來的位置。在原本的物理學認知中,蜂蜜分子給粒子的前進阻力是比水分子大的,會減緩粒子的速度,然而在量子世界中,確實加大推動了粒子的前進。

設計量子計算機

科學家對量子速度極限的更多了解將極大影響量子計算機處理器的設計。正如工程師們絞盡腦汁縮小晶體管的尺寸一樣,他們需要一些聰明的方法來創造儘可能快的量子系統,讓計算機的運行速度接近極限速度。

目前,科學家尚不清楚量子極限到底有多大,各種因素對這個極限值的影響有多大。量子物理學的技術應用,不僅僅是技術上的革新,更是打開一扇新世界的大門,未來任重而道遠。

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Reference :

How Fast Can Quantum Computers Get?

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