量子電腦需要精確的時間測量來操縱量子態，但新的研究揭示了一個根本性的限制：由於時鐘的能量和熵生成有限，時鐘無法同時達到完美的解析度和精度。這對量子計算的能力造成了內在限制。隨著量子技術的發展，克服這些時間測量難題將變得至關重要，並有可能帶來量子力學的新發現。

量子計算越來越容易用於執行計算。然而，研究表明，量子計算存在固有的局限性，特別是與所使用時鐘的品質有關。

關於如何建造量子計算機，人們有不同的想法。但它們都有一個共同點：使用量子物理系統–例如單個原子–並在特定時間內將其置於非常特定的作用力之下，從而改變其狀態。然而，這意味著為了能夠依靠量子計算操作提供正確的結果，你需要一個盡可能精確的時鐘。

但在這裡會遇到問題：完美的時間測量是不可能的。每個時鐘都有兩個基本特性：一定的精度和一定的時間解析度。時間解析度表示可測量的時間間隔有多小，即時鐘滴答作響的速度有多快。精確度則表示每一個刻度的誤差有多大。

研究小組能夠證明，由於沒有時鐘具有無限量的可用能量（或產生無限量的熵），因此它永遠不可能同時具有完美的分辨率和完美的精度。這就從根本上限制了量子電腦的可能性。

在我們的經典世界裡，完美的算術運算不成問題。例如，你可以使用一個算盤，將木珠穿在一根棍子上，然後來回推動。木珠有明確的狀態，每顆木珠都在一個非常特定的位置，如果你什麼都不做，木珠就會保持在原來的位置。

無論你快速或緩慢地移動木珠，都不會影響結果。但在量子物理學中，情況就複雜多了。

馬庫斯-胡貝爾團隊中來自維也納技術大學原子研究所的傑克-許雷布（Jake Xuereb）是第一篇論文的第一作者，他說：”從數學上講，改變量子計算機中的量子態相當於在更高維度上進行旋轉。為了最終達到所需的狀態，旋轉必須持續一段非常特定的時間。否則，你就會把狀態轉得太短或太遠”。

熵： 時間讓一切變得越來越混亂

馬庫斯-胡貝爾和他的團隊研究了哪些定律必須始終適用於每一個可以想像的時鐘。他解釋說：”時間測量總是與熵有關。在每個封閉的物理系統中，熵都會增加，變得越來越無序。正是這種發展決定了時間的方向：未來是熵值更高的地方，過去是熵值較低的地方。”

如圖所示，對​​時間的每一次測量都不可避免地伴隨著熵的增加：例如，時鐘需要一個電池，電池的能量通過時鐘的機械裝置最終轉化為摩擦熱和滴答聲–在這個過程中，一個相當有序的狀態發生了電池轉化為熱輻射和聲音的相當無序的狀態。

在此基礎上，研究小組創建了一個數學模型，基本上所有可以想像的時鐘都必須遵守這個模型。第二篇論文的第一作者弗洛里安-邁爾（Florian Meier）說：”在熵增加一定的情況下，時間分辨率和精確度之間需要權衡。這意味著： 時鐘要么快速工作，要嘛精確工作–兩者不可能同時兼得。”

量子電腦的極限

這項認識為量子電腦帶來了一個天然的限制：時鐘所能達到的解析度和精度限制了量子電腦所能達到的速度和可靠性。馬庫斯-胡貝爾說：「目前這還不是問題，量子電腦的精度仍然受到其他因素的限制，例如所使用元件的精度或電磁場。但我們的計算也表明，今天我們離時間測量的基本限制發揮決定性作用的機制已經不遠了。”

因此，如果量子資訊處理技術進一步改進，人們將不可避免地要面對非最佳時間測量的問題。但誰知道呢：也許這正是我們了解量子世界的有趣方式。

編譯來源：ScitechDaily