Если вы проектируете новый компьютер, вы хотите, чтобы он решал проблемы как можно быстрее. Когда дело доходит до квантовых компьютеров, остается открытым вопрос, насколько быстро это возможно, но физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) сузили теоретические пределы того, где находится этот «предел скорости». Исследование предполагает, что квантовые процессоры будут работать медленнее, чем предполагалось в некоторых исследованиях.
Работа предлагает лучшее описание того, как быстро информация может перемещаться в системе, построенной из квантовых частиц, такой как группа отдельных атомов. Инженерам нужно будет знать это, чтобы создавать квантовые компьютеры, которые будут иметь совершенно другую конструкцию и смогут решать определенные задачи гораздо проще, чем современные компьютеры. Хотя новое открытие не дает точной скорости передачи информации в этих еще не построенных компьютерах (давний вопрос), оно накладывает гораздо более жесткие ограничения на то, где может быть это ограничение скорости.
Квантовые компьютеры будут хранить данные о квантовых состояниях частицы, одним из которых является ее вращение, свойство, придающее магнетизм. Квантовый процессор может удерживать множество частиц в пространстве в непосредственной близости, а вычисления будут включать перемещение данных от частицы к частице. Точно так же, как один магнит влияет на другой, спин одной частицы влияет на спин соседней, что делает возможным передачу квантовых данных, но большой вопрос заключается в том, насколько быстро это влияние может работать.
Выводы группы NIST продвигают линию исследований, которая восходит к 1970-м годам, когда ученые обнаружили предел скорости передачи информации, если взвешенная частица могла напрямую общаться со своими ближайшими соседями. С тех пор технология продвинулась до такой степени, что ученые могли исследовать, может ли частица напрямую влиять на другие, более удаленные частицы, что является потенциальным преимуществом. К 2005 году теоретические исследования, включающие эту идею, резко увеличили ограничение скорости.
«Эти результаты подразумевают, что квантовый компьютер может работать очень быстро, намного быстрее, чем кто-либо считал возможным», - говорит Майкл Фосс-Фейг из NIST. «Но в течение следующего десятилетия никто не видел никаких доказательств того, что информация действительно может распространяться так быстро».
Физики, изучающие этот аспект квантового мира, часто выстраивают в ряд несколько частиц и наблюдают, как быстро изменение спина первой частицы влияет на самую дальнюю по линии - это немного похоже на то, как если бы вы поставили ряд костяшек домино и сбили первую. один вниз, чтобы увидеть, как быстро протекает цепная реакция. Команда изучила многолетние исследования других, и, поскольку костяшки домино, казалось, никогда не падали так быстро, как предполагалось в предсказании 2005 года, они разработали новое математическое доказательство, которое показывает гораздо более жесткий предел скорости распространения квантовой информации.
«Чем жестче ограничение, тем лучше, потому что это означает, что у нас будут более реалистичные ожидания относительно возможностей квантовых компьютеров», - говорит Фосс-Фейг.
Предел, как показывают их доказательства, намного ближе к ограничениям скорости, предложенным в результате 1970-х годов.
Доказательство касается скорости, с которой запутанность распространяется по квантовым системам. Запутанность - странная связь квантовой информации между двумя удаленными частицами - важна, потому что чем быстрее частицы запутываются друг с другом, тем быстрее они могут обмениваться данными. Результаты 2005 года показали, что даже если сила взаимодействия быстро убывает с расстоянием, по мере роста системы время, необходимое для распространения запутанности через нее, растет только логарифмически с ее размером, а это означает, что система может запутаться очень быстро. Работа команды, однако, показывает, что время распространения растет пропорционально его размеру, а это означает, что, хотя квантовые компьютеры могут решать проблемы, которые обычные компьютеры считают дьявольски сложными, их процессоры не будут демонами скорости.
«С другой стороны, результаты говорят нам кое-что важное о том, как работает запутанность», - говорит Фосс-Фейг. «Они могут помочь нам понять, как более эффективно моделировать квантовые системы».