Kvantecomputere kan have højere hastighedsgrænser end antaget

Hvor hurtigt vil en kvantecomputer være i stand til at beregne? Mens fuldt funktionelle versioner af disse længe søgte teknologiske vidundere endnu ikke er bygget, en teoretiker ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har vist, at hvis de kan realiseres, der kan være færre grænser for deres hastighed end tidligere fremsat.

Resultaterne - beskrevet som et "tankeeksperiment" af NISTs Stephen Jordan - handler om et andet aspekt af kvanteberegningshastighed end en anden gruppe NIST -forskere udforskede for omkring to år siden. Mens de tidligere fund vedrørte, hvor hurtigt information kan rejse mellem to switches i en computers processor, Jordans nye papir omhandler, hvor hurtigt disse kontakter kan vende fra en stat til en anden.

Fliphastigheden svarer til "clockhastigheden" for konventionelle processorer. For at lave beregninger, processoren sender matematiske instruktioner, kendt som logiske operationer, der ændrer switches konfigurationer. Nutidens CPU'er har urhastigheder målt i gigahertz, hvilket betyder, at de er i stand til at udføre et par milliarder elementære logiske operationer pr. sekund.

Fordi de udnytter kvantemekanikkens magt til at foretage deres beregninger, kvantecomputere vil nødvendigvis have vidt forskellige arkitekturer end nutidens maskiner. Deres kontakter, kaldet kvantebits eller "qubits, "vil være i stand til at repræsentere mere end bare en 1 eller 0, som konventionelle processorer gør; de vil være i stand til at repræsentere flere værdier samtidigt, giver dem beføjelser, som konventionelle computere ikke besidder.

Jordans papir bestrider mangeårige konklusioner om, hvad kvantestater indebærer om clockhastighed. Ifølge kvantemekanik, den hastighed, hvormed en kvantetilstand kan ændre sig - og derfor den hastighed, hvormed en qubit kan vende - er begrænset af, hvor meget energi den har. Mens Jordan mener, at disse fund er gyldige, flere efterfølgende papirer gennem årene har argumenteret for, at de også indebærer en grænse for, hvor hurtigt en kvantecomputer generelt kan beregne.

"Umiddelbart virker dette ganske sandsynligt, "Sagde Jordan." Hvis du udfører flere logiske operationer, det giver mening, at dine switches skal gennemgå flere ændringer. I både konventionelle og kvante computing designs, hver gang der sker en logisk handling " - hvor dens switches vender -" hopper computeren til en ny tilstand. "

Ved hjælp af matematik i kvantesystemer, Jordan viser er, at det er muligt at konstruere en kvantecomputer, der ikke har denne begrænsning. Faktisk, med det rigtige design, han sagde, computeren "kunne udføre et vilkårligt stort antal logiske operationer, mens den kun hoppede gennem et konstant antal forskellige tilstande."

Modsat, i sådan en kvantecomputer, antallet af logiske operationer, der udføres pr. sekund, kan være langt større end den hastighed, hvormed enhver qubit kan vendes. Dette ville give kvantecomputere, der omfavner dette design, mulighed for at bryde tidligere foreslåede hastighedsgrænser.

Hvilke fordele kan denne hurtigere clockhastighed give? En af de primære applikationer, der er tænkt til kvantecomputere, er simulering af andre fysiske systemer. Den teoretiske hastighedsgrænse for urfart blev antaget at placere en øvre grænse for denne opgaves vanskeligheder. Ethvert fysisk system, argumentet gik, kunne betragtes som en slags computer - en med en urhastighed begrænset af systemets energi. Antallet af urcyklusser, der er nødvendige for at simulere systemet på en kvantecomputer, bør være sammenligneligt med antallet af urcyklusser, det originale system udførte.

Imidlertid, disse nyopdagede smuthuller til beregningshastighedsgrænsen er et "tveægget sværd". Hvis energi ikke begrænser hastigheden på en kvantecomputer, så kunne kvantecomputere simulere fysiske systemer med større kompleksitet end tidligere antaget. Men energi begrænser heller ikke beregningskompleksiteten i naturligt forekommende systemer, og dette kunne gøre dem sværere at simulere på kvantecomputere.

Jordan sagde, at hans fund ikke indebærer, at der ikke er grænser for, hvor hurtigt en kvantecomputer kan tænkes at beregne, men at disse grænser stammer fra andre aspekter af fysikken end blot tilgængeligheden af ​​energi.

"For eksempel, hvis du tager højde for geometriske begrænsninger, som hvor tæt du kan pakke oplysninger, og en grænse for, hvor hurtigt du kan overføre oplysninger (dvs. lysets hastighed), så synes jeg du kan komme med mere solide argumenter, "sagde han." Det vil fortælle dig, hvor de reelle grænser for beregningshastighed ligger. "