@ 2017.04.05 , 13:00

量子计算机的极限可能更高

量子计算机到底能算得多快?由于人们长久以来寻找的技术奇迹尚未完全实现,美国国家标准技术研究所(NIST)的一位理论家证实,如果能实现量子计算机,其极限将比原先预想的高。

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美国国家标准技术研究所的研究表明,量子计算机的速度可能不会受到调控计算机运行的底层物理系统能量的限制。

美国国家标准技术研究所的Stephen Jordan将该发现描述为“思维实验”,不同于NIST另一组研究者两年前的工作,他从另一个角度对量子计算机的速度进行了研究。在先前的研究中,主要关注信息在计算机处理器两个开关之间的传递速度。而Jordan的新研究主要研究这些开关的状态切换速度。

状态翻转速度等价于传统处理器的时钟频率。在计算过程中,处理器发送被称为逻辑操作的数学指令,改变开关的配置。当前CPU的时钟速度为几GHz,即每秒能实现数十亿次基本逻辑操作。

由于量子计算机基于量子力学进行计算,其架构与当前计算机迥然不同。其中的开关,被称为量子位或“量子比特”,不仅能表示传统计算机中的0和1之外的状态,还能允许多种状态同时存在,表示能力远远强于传统计算机。

Jordan的论文对长久以来认为量子状态意味着时钟速度的观点提出了异议。据量子力学,量子态的变化速度,即量子比特的翻转速度受所有能量的总量所限。Jordan认为该说法是正确的,但一些文章认为这还意味着限制了量子计算机的计算速度。

Jordan说:“乍一看这似乎是有可能的。如果正进行更多的逻辑操作,那么从道理上讲开关也会经历更多的变化。无论是传统计算机还是量子计算机,每发生一次逻辑操作,开关均会翻转一次,计算机也会进入一个新的状态。”

利用量子系统的数学原理,Jordan证实有可能设计出不受上述因素限制的量子计算机。事实上,他提到,通过正确的设计,计算机“能在常数个不同状态下切换的同时实现任意数量的逻辑操作。”

与直觉相反的是,在量子计算机中,每秒执行的逻辑操作数能远远大于量子比特的翻转速度。这意味着基于该设计,量子计算机能打破先前认为的速度限制。

这样的优势是什么呢?其中一个主要的预期应用是对其他物理系统的模拟。先前人们认为时钟频率的理论上限限制了该任务的实现,任何物理系统都可被认为是另一种受系统能量限制时钟频率的计算机。要模拟该系统,量子计算机的时钟频率就必须要能媲美原始物理系统的时钟频率。

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D-wave系统构建的芯片

然而,现在这个新发现计算速度限制的漏洞同样是把双刃剑。一方面,如果量子计算机的速度不受能量所限,那么就能模拟比早先认为的更复杂的物理系统。但另一方面,能量不限制自然发生系统的计算复杂度,那么在量子计算机上模拟也变得更加困难。

Jordan说:

我的发现并不意味着量子计算机的速度不存在极限,而是说其速度的限制因素来源于其他物理方面的因素而不仅仅是能量。例如,如果考虑几何约束,比如压缩信息的致密程度,以及传输信息的速度限制(即光速),那么将更加完善上述结论,得到真正的计算速度极限。

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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