經(jīng)典計算機以比特（bit）作為存儲的信息單位，比特使用二進制，一個比特表示的不是“0”就是“1”。但是，在量子計算機里，情況會變得完全不同，量子計算機以量子比特（qubit）為信息單位，量子比特可以表示“0”，也可以表示“1”，還可以做到“既1又0”，這意味著，量子計算機可以疊加所有可能的“0”和“1”組合，讓“1”和“0”的狀態(tài)同時存在。
相較于經(jīng)典計算，基于量子比特特性的量子計算機優(yōu)勢顯而易見。普通計算機中的2位寄存器一次只能存儲一個二進制數(shù)，而量子計算機中的2位量子比特寄存器可以同時保持所有4個狀態(tài)的疊加。當(dāng)量子比特的數(shù)量為n個時，量子處理器對n個量子位執(zhí)行一個操作就相當(dāng)于對經(jīng)典位執(zhí)行2n個操作，這使得量子計算機的處理速度大大提升。
2019年，谷歌宣布率先實現(xiàn)“量子霸權(quán)”。根據(jù)谷歌的論文，該團隊將其量子計算機命名為“懸鈴木”，處理的問題大致可以理解為“判斷一個量子隨機數(shù)發(fā)生器是否真的隨機”。懸鈴木”包含53個量子比特的芯片，僅需花200秒就能對一個量子線路取樣一百萬次，而相同的運算量在當(dāng)今世界最大的超級計算機Summit上則需要1萬年才能完成。
當(dāng)然，即便是被認為具有史無前例的高速的量子計算，也有其極限。近日，以色列理工學(xué)院團隊嘗試突破量子物理學(xué)的邊界，就提出并證明量子計算機的速度極限。具體來看，研究團隊通過使用快速物質(zhì)波的干涉測量法，跟蹤光阱中單個原子的運動，同時測試了在多能級系統(tǒng)中的這兩個速度極限。
要理解為什么量子計算機會有速度限制，就要理解速度極限理論所應(yīng)用的領(lǐng)域。如前所述，量子計算機不會運行0和1的二進制系統(tǒng)，即比特，而是使用量子位，或量子比特進行運算。量子位可以是任何類型的粒子，以色列理工學(xué)院在此次實驗中使用的是銫原子，因為銫原子的運動方式是可控的。
研究人員讓銫原子從一個薄碗的側(cè)面滾下來，觀察它們的運動。隨著一個量子位的移動，它的量子信息在不斷地變化。而要確定量子計算機能以多快的速度計算，就意味著要找到信息在原子中開始變化的最初點。這就是為什么在實驗開始時，需要將原子或物質(zhì)波放入疊加狀態(tài)，來觀察它們會如何變化。
多級量子系統(tǒng)中的量子速度極限團隊發(fā)現(xiàn)，曼德爾斯坦和塔姆的速度限制始終限制著量子態(tài)的發(fā)展速度，而兩種速度極限的交叉會在更長的時間后發(fā)生。因為粒子的能量永遠不可能被準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)，所以它總是取平均值。
曼德爾斯坦和塔姆提出的速度限制（MT Bound）和馬爾高拉斯－萊維丁定律（ML Bound）是兩個著名的量子速度極限理論，正如曼德爾斯坦和塔姆的速度限制所預(yù)測的那樣，一個量子位能夠被處理的最快速度取決于其能量的不確定性，而更高的能量不確定性將導(dǎo)致速度極限更快到來。
但在量子物理學(xué)中，如果能量的不確定性高到足以達到原子的平均能量，那物質(zhì)就會停止加速，速度極限保持在平均能量。所以即使是量子計算機，也不是無限快的。這些研究成果對于理解量子計算機的最終性能和相關(guān)的量子技術(shù)具有重要意義。
