Grænser for kvantecomputere:Perfekte ure er umulige, finder forskning

Der er forskellige ideer om, hvordan kvantecomputere kan bygges. Men de har alle én ting til fælles:man bruger et kvantefysisk system – for eksempel individuelle atomer – og ændrer deres tilstand ved at udsætte dem for meget specifikke kræfter i et bestemt tidsrum. Det betyder dog, at for at kunne stole på, at kvanteberegningsoperationen leverer det korrekte resultat, har du brug for et ur, der er så præcist som muligt.

Men her støder du ind i problemer:perfekt tidsmåling er umulig. Hvert ur har to grundlæggende egenskaber:en vis præcision og en vis tidsopløsning. Tidsopløsningen angiver, hvor små tidsintervallerne er, der kan måles - altså hvor hurtigt uret tikker. Præcision fortæller dig, hvor meget unøjagtighed du kan forvente med hvert enkelt kryds.

Forskerholdet var i stand til at vise, at da intet ur har en uendelig mængde energi til rådighed (eller genererer en uendelig mængde entropi), kan det aldrig have perfekt opløsning og perfekt præcision på samme tid. Dette sætter fundamentale grænser for kvantecomputeres muligheder.

Kvanteberegningstrin er som rotationer

I vores klassiske verden er perfekte aritmetiske operationer ikke et problem. Du kan for eksempel bruge en kulerram, hvor trækugler er trådet på en pind og skubbes frem og tilbage. Træperlerne har klare tilstande, hver enkelt er på et meget specifikt sted, hvis du ikke gør noget, forbliver perlen præcis, hvor den var.

Og om du flytter perlen hurtigt eller langsomt, påvirker ikke resultatet. Men i kvantefysikken er det mere kompliceret.

"Matematisk set svarer ændring af en kvantetilstand i en kvantecomputer til en rotation i højere dimensioner," siger Jake Xuereb fra Atomic Institute ved Wiens teknologiske universitet i teamet af Marcus Huber og førsteforfatter til det første papir udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve . "For at opnå den ønskede tilstand i sidste ende, skal rotationen anvendes i en meget bestemt periode. Ellers drejer du tilstanden enten for kort eller for langt."

Entropi:Tid gør alting mere og mere rodet

Marcus Huber og hans team undersøgte generelt, hvilke love der altid skal gælde for ethvert tænkeligt ur. "Tidsmåling har altid at gøre med entropi," forklarer Marcus Huber. I ethvert lukket fysisk system øges entropien, og den bliver mere og mere uordnet. Det er netop denne udvikling, der bestemmer tidens retning:Fremtiden er, hvor entropien er højere, og fortiden er, hvor entropien er endnu lavere.

Som det kan vises, er enhver måling af tid uundgåeligt forbundet med en stigning i entropi:Et ur har for eksempel brug for et batteri, hvis energi i sidste ende omdannes til friktionsvarme og hørbar tik via urets mekanik - en proces, hvor en ret ordnet tilstand opstår, batteriet omdannes til en ret uordnet tilstand af varmestråling og lyd.

På den baggrund kunne forskerholdet skabe en matematisk model, som stort set ethvert tænkeligt ur skal adlyde. "For en given stigning i entropi er der en afvejning mellem tidsopløsning og præcision," siger Florian Meier, første forfatter til det andet papir, nu udgivet til arXiv preprint server. "Det betyder:Enten fungerer uret hurtigt, eller også fungerer det præcist - begge dele er ikke mulige på samme tid."

Grænser for kvantecomputere

Denne erkendelse bringer nu en naturlig grænse for kvantecomputere:den opløsning og præcision, der kan opnås med ure, begrænser den hastighed og pålidelighed, der kan opnås med kvantecomputere. "Det er ikke et problem i øjeblikket," siger Huber.

"I øjeblikket er nøjagtigheden af ​​kvantecomputere stadig begrænset af andre faktorer, for eksempel præcisionen af ​​de anvendte komponenter eller elektromagnetiske felter. Men vores beregninger viser også, at vi i dag ikke er langt fra det regime, hvor de grundlæggende grænser for tidsmåling spille den afgørende rolle."

Derfor, hvis teknologien til kvanteinformationsbehandling forbedres yderligere, vil man uundgåeligt skulle kæmpe med problemet med ikke-optimal tidsmåling. Men hvem ved:Måske er det netop sådan, vi kan lære noget interessant om kvanteverdenen.

Flere oplysninger: Florian Meier et al, Fundamental nøjagtighed-opløsning afvejning for tidtagningsenheder, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2301.05173

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

Leveret af Vienna University of Technology