Kvantehastighedsbegrænsning kan sætte bremser på kvantecomputere

I løbet af de sidste fem årtier har standard computerprocessorer er blevet stadig hurtigere. I de seneste år, imidlertid, grænserne for den teknologi er blevet klare:Chipkomponenter kan kun blive så små, og kun pakkes så tæt sammen, før de overlapper eller kortslutter. Hvis virksomheder skal fortsætte med at bygge stadig hurtigere computere, noget skal ændres.

Et centralt håb for fremtiden for stadig hurtigere computing er mit eget felt, kvantefysik. Kvantecomputere forventes at være meget hurtigere end noget, informationsalderen har udviklet hidtil. Men min nylige forskning har afsløret, at kvantecomputere vil have deres egne grænser - og har foreslået måder at finde ud af, hvad disse grænser er.

Forståelsens grænser

Til fysikere, vi mennesker lever i det, man kalder den "klassiske" verden. De fleste mennesker kalder det bare "verden, "og er kommet til at forstå fysik intuitivt:At kaste en bold sender den op og derefter ned igen i en forudsigelig bue, for eksempel.

Selv i mere komplekse situationer, mennesker har en tendens til at have en ubevidst forståelse for, hvordan tingene fungerer. De fleste mennesker forstår stort set, at en bil fungerer ved at brænde benzin i en forbrændingsmotor (eller udtrække lagret elektricitet fra et batteri), at producere energi, der overføres gennem gear og aksler for at dreje dæk, som skubber mod vejen for at flytte bilen fremad.

Under lovene i klassisk fysik, der er teoretiske grænser for disse processer. Men de er urealistisk høje:F.eks. vi ved, at en bil aldrig kan køre hurtigere end lysets hastighed. Og uanset hvor meget brændstof der er på planeten, eller hvor meget vejbane eller hvor stærk konstruktionsmetoderne, ingen bil kommer tæt på at køre selv 10 procent af lysets hastighed.

Folk støder aldrig rigtig på de faktiske fysiske grænser for verden, men de findes, og med ordentlig forskning, fysikere kan identificere dem. Indtil for nylig, selvom, lærde havde kun en ret vag idé om, at kvantefysikken også havde grænser, men vidste ikke, hvordan de skulle finde ud af, hvordan de kunne finde anvendelse i den virkelige verden.

Heisenbergs usikkerhed

Fysikere sporer kvanteteoriens historie tilbage til 1927, da den tyske fysiker Werner Heisenberg viste, at de klassiske metoder ikke virkede for meget små objekter, dem nogenlunde på størrelse med individuelle atomer. Når nogen kaster en bold, for eksempel, det er let at bestemme præcis, hvor bolden er, og hvor hurtigt det bevæger sig.

Men som Heisenberg viste, det er ikke sandt for atomer og subatomære partikler. I stedet, en observatør kan enten se, hvor den er, eller hvor hurtigt den bevæger sig – men ikke begge dele på nøjagtig samme tid. Dette er en ubehagelig erkendelse:Selv fra det øjeblik Heisenberg forklarede sin idé, Albert Einstein (blandt andre) var urolig med det. Det er vigtigt at indse, at denne "kvanteusikkerhed" ikke er en mangel på måleudstyr eller teknik, men snarere hvordan vores hjerner fungerer. Vi har udviklet os til at være så vant til, hvordan den "klassiske verden" fungerer, at de faktiske fysiske mekanismer i "kvanteverdenen" simpelthen ligger uden for vores evne til fuldt ud at forstå.

Ind i kvanteverdenen

Hvis et objekt i kvanteverdenen bevæger sig fra et sted til et andet, forskere kan ikke måle nøjagtigt hvornår det er gået, eller hvornår det kommer. Fysikkens grænser pålægger en lille forsinkelse ved at opdage det. Så uanset hvor hurtigt bevægelsen rent faktisk sker, det vil ikke blive opdaget før lidt senere. (Længden af ​​tid her er utrolig lille - kvadrilliondeler af et sekund - men lægger op til billioner af computerberegninger.)

Denne forsinkelse bremser effektivt den potentielle hastighed ved en kvanteberegning - det pålægger det, vi kalder "kvantehastighedsgrænsen".

I løbet af de sidste par år, forskning, som min gruppe har bidraget væsentligt til, har vist, hvordan denne kvantehastighedsgrænse bestemmes under forskellige forhold, såsom brug af forskellige typer materialer i forskellige magnetiske og elektriske felter. For hver af disse situationer, kvantehastighedsgrænsen er lidt højere eller lidt lavere.

Til alles store overraskelse, vi fandt endda ud af, at nogle gange kan uventede faktorer hjælpe med at fremskynde tingene, til tider, på kontraintuitive måder.

For at forstå denne situation, det kan være nyttigt at forestille sig en partikel, der bevæger sig gennem vand:Partiklen fortrænger vandmolekyler, når den bevæger sig. Og efter at partiklen er gået videre, vandmolekylerne flyder hurtigt tilbage, hvor de var, efterlader ingen spor af partiklens passage.

Forestil dig nu den samme partikel, der rejser gennem honning. Honning har en højere viskositet end vand - den er tykkere og flyder langsommere - så honningpartiklerne vil tage længere tid at flytte tilbage, efter at partiklen bevæger sig videre. Men i kvanteverdenen, den tilbagevendende strøm af honning kan opbygge tryk, der driver kvantepartiklen fremad. Denne ekstra acceleration kan gøre en kvantepartikels hastighedsgrænse forskellig fra, hvad en observatør ellers kunne forvente.

Design af kvantecomputere

Efterhånden som forskere forstår mere om denne kvantehastighedsgrænse, det vil påvirke, hvordan kvantecomputerprocessorer er designet. Ligesom ingeniører fandt ud af, hvordan man kan krympe størrelsen på transistorer og pakke dem tættere sammen på en klassisk computerchip, de har brug for noget smart innovation for at bygge de hurtigst mulige kvante systemer, kører så tæt som muligt på den ultimative hastighedsgrænse.

Der er meget for forskere som mig at udforske. Det er ikke klart, om kvantehastighedsgrænsen er så høj, at det er uopnåeligt - ligesom bilen, der aldrig engang kommer tæt på lysets hastighed. Og vi forstår ikke helt, hvordan uventede elementer i miljøet - som honningen i eksemplet - kan bidrage til at fremskynde kvanteprocesser. Efterhånden som teknologier baseret på kvantefysik bliver mere almindelige, vi bliver nødt til at finde ud af mere om, hvor grænserne for kvantefysik er, og hvordan man konstruerer systemer, der udnytter den bedste fordel af det, vi ved.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.