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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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