量子計(jì)算機(jī)，或極限將至

量子計(jì)算機(jī)的性能可能在達(dá)到約1000個(gè)量子比特后觸及上限。

《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》的一項(xiàng)最新分析指出，量子計(jì)算機(jī)的性能可能在達(dá)到約1000 個(gè)量子比特后觸及上限。牛津大學(xué)的Tim Palmer通過(guò)全新計(jì)算，重新審視了該技術(shù)背后量子原理的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，得出結(jié)論：大型量子系統(tǒng)的信息承載能力存在限制，其算力可能遠(yuǎn)低于許多研究者的預(yù)期。

潛力是否無(wú)限？

長(zhǎng)期以來(lái)，量子物理學(xué)家們對(duì)量子計(jì)算機(jī)看似無(wú)限的潛力既興奮又擔(dān)憂。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，信息量通常隨比特?cái)?shù)線性增長(zhǎng)；而在量子計(jì)算機(jī)中，每增加一個(gè)量子比特，系統(tǒng)可占據(jù)的量子態(tài)數(shù)量就會(huì)翻倍。

這些量子態(tài)能夠同時(shí)編碼多種可能性，因此按照目前的量子力學(xué)理論，每增加一個(gè)量子比特，整個(gè)系統(tǒng)的算力都會(huì)呈指數(shù)級(jí)提升。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，搭載更多量子比特的新型量子器件不斷出現(xiàn)，算力的增長(zhǎng)似乎也變得近乎無(wú)界。

從希爾伯特空間視角審視

Palmer 的分析卻得出了更為保守的結(jié)論。在論文中，他聚焦希爾伯特空間的特性，這是一個(gè)抽象的數(shù)學(xué)框架，量子系統(tǒng)的每一種可能狀態(tài)都對(duì)應(yīng)其中一個(gè)點(diǎn)，讓研究者可以用更直觀的幾何語(yǔ)言描述量子系統(tǒng)。

在這一框架下，量子態(tài)的疊加對(duì)應(yīng)希爾伯特空間的新維度。量子比特越多，維度數(shù)量就呈指數(shù)級(jí)增加。按照標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)，系統(tǒng)可以平滑、連續(xù)地遍歷這一空間，覆蓋海量可能的量子態(tài)。

終將觸及極限

Palmer 認(rèn)為，這種遍歷背后的物理現(xiàn)實(shí)，可能遠(yuǎn)比理論假設(shè)的更離散。在他看來(lái)，一個(gè)系統(tǒng)能夠承載的物理信息總量有限，不足以在希爾伯特空間不斷擴(kuò)張時(shí)，為每一個(gè)維度賦予完全獨(dú)立的數(shù)值。這意味著，盡管紙面上希爾伯特空間仍在指數(shù)級(jí)擴(kuò)大，但系統(tǒng)實(shí)際可訪問(wèn)的部分會(huì)受到越來(lái)越嚴(yán)格的限制。

在這一圖景中，量子態(tài)只能占據(jù)有限、可數(shù)的一組可能狀態(tài)。如果這一觀點(diǎn)成立，將為標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)預(yù)言的指數(shù)級(jí)擴(kuò)展設(shè)下一道明確 “天花板”。根據(jù) Palmer 的估算，量子計(jì)算機(jī)可能在約 1000 個(gè)量子比特時(shí)就開始觸及這一上限，而當(dāng)前部分最先進(jìn)的設(shè)備已在逼近這一數(shù)量。

更為務(wù)實(shí)的未來(lái)

目前，這類系統(tǒng)的完整算力仍未得到充分驗(yàn)證，其性能仍可能遠(yuǎn)超最強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。但在 Palmer 提出的限制下，它們的最終能力或?qū)o(wú)法實(shí)現(xiàn)一些長(zhǎng)期被寄予厚望的目標(biāo)，例如破解支撐當(dāng)今大量安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用荏w系。

這雖然可能緩解圍繞量子技術(shù)的一大核心擔(dān)憂，但同樣的限制，也可能影響眾多極具前景的應(yīng)用場(chǎng)景：從藥物研發(fā)到復(fù)雜物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。總而言之，Palmer 的分析表明，量子計(jì)算的未來(lái)，或許比人們?cè)?jīng)想象的更為務(wù)實(shí)、更有邊界。

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