在过去的50年里，标准的计算机处理器变得越来越快。然而，近年来，这种技术的局限性变得越来越明显：芯片组件只能变得如此之小，在它们重叠或短路之前，只能紧密地组装在一起。如果科学家要继续建设更快的电脑，就需要改变。

未来快速计算的一个关键希望一个看似神秘的领域，量子物理学。预计，量子计算机将比信息时代迄今为止所开发的任何东西都快得多。但最近的研究表明，量子计算机将有自己的局限性——这些限制是什么呢？

理解的局限性

对物理学家来说，我们人类生活在所谓的 “经典” 世界里。大多数人都称它为 “世界”，并直观地理解了物理学：比如，投掷一个球，它会运动在一个可预测的弧线上。

即使在更复杂的情况下，人们往往对事物的运作方式都会有一个基本的理解。大多数人基本都知道一辆汽车通过在内燃机中燃烧汽油工作(或者从电池中提取储存的电能)，从而产生能量，通过齿轮和车轴转动轮胎，从而推动汽车向前行驶。

在经典物理定律下，这些过程是有理论限制的。例如，我们知道汽车永远不能比光速还快。无论在地球上有多少燃料，或者有多少道路，或者有多强的制造方法，没有一辆车能接近光速的10% 。

人们从来没有真正接触过世界的实际物理极限，但它们真实存在，经过适当的研究，物理学家可以识别它们。不过，直到最近，学者们才有一个相当模糊的概念，即量子物理学也有极限，但不知道如何计算出它们在现实世界中的应用。

海森堡的不确定性

物理学家们研究量子理论的历史可以追溯到1927年，当时德国物理学家维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)发现，经典的方法并不适用于非常小的物体，也就是单个原子的大小。例如，当有人抛球时，很容易确定球的确切位置，以及它移动的速度。

但正如海森堡所示，原子和亚原子粒子并不会如此。相反，观察者可以看到它的位置，或者它移动的速度。——但是，不能看到两种状态同时发生。这是一个令人不安的认识，即使是阿尔伯特·爱因斯坦也对此问题感到不安。重要的因素是：他们认识到，这种 “量子不确定性” 并不是测量设备或工程的问题，而是我们大脑的工作方式。我们已经进化到如此习惯于 “经典世界” 是如何运作的，而 “量子世界” 的实际物理机制则远远超出了我们完全掌握的能力。

进入量子世界

如果量子世界中的一个物体从一个位置移动到另一个位置，研究人员则无法精确测量它何时离开，何时到达。经典物理学的极限使探测它的时间延迟了，所以不管运动的速度有多快，直到稍微晚一点才会被发现。(这里的时间长度非常小：千万亿分之一秒，但计算量却超过了万亿次。)

这种延迟有效地减慢了量子计算的潜在速度——它强加给了我们所谓的 “量子速度极限” 概念。

在过去的几年里，科学家们已经做出了重大的贡献，研究显示了在不同的条件下，量子速度的极限是如何确定的，比如在不同的磁场和电场中使用不同类型的材料。对于每一种情况，量子速度限制都是稍微高一点或稍低一点。

令所有人大感意外的是，我们甚至发现，有时出乎意料的因素可以帮助我们以一种反直觉的方式加速事情的发展。

为了理解这种情况，我们可以想象一个粒子在水中运动的状况：当粒子运动时，它会取代水分子。在粒子运动之后，水分子会迅速回到原来的位置，不会留下任何痕迹。

我们可以再设想一个案例，同样的粒子穿过蜂蜜。蜂蜜的粘度比水高——它更厚，流动也更慢——因此，在粒子运动后，蜂蜜颗粒会花更长的时间来移动回原来的位置。但在量子世界中，蜂蜜的回流会产生压力，推动量子粒子向前运动。这种额外的加速度可以使量子粒子的速度极限与观察者所期望的不同。

设计量子计算机

随着研究人员对量子速度极限越来越了解，它将影响量子计算机处理器的设计。正如工程师们研究出如何缩小晶体管的尺寸，并将它们更紧密地封装在一个经典的计算机芯片上，他们需要一些巧妙的创新来设计制造出尽可能快的量子系统，尽可能接近速度极限。

总结

科学家们还有很多需要探索的地方。目前还不清楚量子速度的极限是否真的如此之高，真的不可企及的——就像那辆永远不会接近光速的汽车一样。我们还不能完全理解环境中那些意想不到的元素——比如像蜂蜜一样——能帮助加速量子进程。随着基于量子物理的技术变得越来越普遍，我们需要更多地了解量子物理的极限在哪里，以及如何利用我们所知道的最大的优势来设计量子系统。

————————————————————————————

欢迎大家来此拍砖吐槽！