相比于传统计算机，量子计算机的运算速率能达到指数级的提高，但量子计算机遭到的速率限制，理论上并不止一个。
日前，以色列理工大学团队尝试突破量子化学学的边界，提出并证明量子计算机的速率极限。这一研究成果发表在《科学进展》()上。
与电脑笔记本或智能手机不同，一些量子计算机将原子作为物质波进行处理，其速率限制取决于在这种物质波中信息的转换速率。
据论文，量子热学对量子态随时间变化的速率设定了基本限制。两个知名的量子速率极限理论是曼德尔斯坦和塔姆提出的速率限制(MTBound)和马尔高拉斯-莱维丁定理（MLBound）。研究团队通过使用快速物质波的干涉检测法，跟踪光阱中单个原子的运动，同时测试了在多基态系统中的这两个速率极限。
“我们晓得量子态的发展有两个公认的速率极限。”以色列理工大学研究员GalNess说道，“曼德尔斯坦和塔姆觉得，量子态的发展速率要慢于其能源不确定性的倒数(减去个别常数)。而另一个极限（MLBound）则将量子态发展的最大速率与平均能量本身联系上去。”要理解为何量子计算机会有速率限制，就要理解速率极限理论所应用的领域。量子计算机不会运行0和1的二补码系统，即比特，而是使用量子位，或量子比特进行运算。
在量子化学学中，原子被看作是物质的波动。比特的位值只能是0或1。而量子位作为基本的信息单位，能同时以0和1两种可能的状态存在。
量子位可以是任何类型的粒子量子通讯速度，以色列理工大学在这次实验中使用的是铯原子，由于铯原子的运动形式是可控的。研究人员让铯原子从一个薄碗的侧面滚出来量子通讯速度，观察它们的运动。随着一个量子位的联通，它的量子信息在不断地变化。而要确定量子计算机能以多快的速率估算，就意味着要找到信息在原子中开始变化的最初点。这就是为何在实验开始时，须要将原子或物质波装入叠加状态，来观察它们会怎样变化。
“叠加意味着，当一个传统比特有一个0或1的值时，每位量子位可以同时是0和1。”Ness说，“与保存在时间中的传统存储不同，波函数（物质波的利差）会不断变化，所以它具有固定的时间测度。这些固定的时间周期被称为量子位的‘相位’。”
为了创造出以量子叠加状态存在或以两种状态同时存在的原子，研究人员须要克隆它们。她们借助特别快的光脉冲来进行克隆，这就似乎同一个原子就能同时滚动和静止。由于原子的一种状态保持静止，物质波就不会改变。克隆体是借助量子干涉进行比较的，量子干涉是物质波干涉自身的叠加效应，这样就可以精确地找出两个物质波中的不同之处。研究团队须要借此找出量子的速率极限，为此她们创造了两个波函数的克隆体，这样一个可以继续变化，而另一个作为参考，在时间中保持静止。
“干扰是一种借助系统波浪式特点来突出波与波之间差别的方法。”Ness介绍，“为了侦测量子的速率极限，我们须要有初始的波函数和变化后的波函数在某个时间t之间重叠的精确数字。通过量子干涉，我们探究了这两个克隆体之间的区别。”
多级量子系统中的量子速率极限
团队发觉，曼德尔斯坦和塔姆的速率限制仍然限制着量子态的发展速率，而两种速率极限的交叉会在更长的时间后发生。
由于粒子的能量永远不可能被确切地发觉，所以它总是取平均值。正如曼德尔斯坦和塔姆的速率限制所预测的那样，一个量子位才能被处理的最快速度取决于其能量的不确定性，而更高的能量不确定性将造成速率极限更快到来。但在量子化学学中，假如能量的不确定性高到足以达到原子的平均能量，那物质才会停止加速，速率极限保持在平均能量。所以即便是量子计算机，也不是无限快的。那些研究成果对于理解量子计算机的最终性能和相关的量子技术具有重要意义。
但这仍不能够定一个事实：与我们现今使用的电子设备相比，量子计算机的估算速率仍然是超快的。距离量子智能手机真正到来，未来还有很长的路要走。