时间熵：限制量子计算未来的时钟难题

量子计算越来越容易用于执行计算。然而，研究表明，量子计算存在固有的局限性，特别是与所使用时钟的质量有关。

关于如何建造量子计算机，人们有不同的想法。但它们都有一个共同点：使用量子物理系统--例如单个原子--并在特定时间内将其置于非常特定的作用力之下，从而改变其状态。然而，这意味着为了能够依靠量子计算操作提供正确的结果，你需要一个尽可能精确的时钟。

但在这里会遇到问题：完美的时间测量是不可能的。每个时钟都有两个基本特性：一定的精度和一定的时间分辨率。时间分辨率表示可测量的时间间隔有多小，即时钟滴答作响的速度有多快。精确度则表示每一个刻度的误差有多大。

研究小组能够证明，由于没有时钟具有无限量的可用能量（或产生无限量的熵），因此它永远不可能同时具有完美的分辨率和完美的精度。这就从根本上限制了量子计算机的可能性。

在我们的经典世界里，完美的算术运算不成问题。例如，你可以使用一个算盘，将木珠穿在一根棍子上，然后来回推动。木珠有明确的状态，每颗木珠都在一个非常特定的位置，如果你什么都不做，木珠就会保持在原来的位置。

无论你快速还是缓慢地移动木珠，都不会影响结果。但在量子物理学中，情况就复杂多了。

马库斯-胡贝尔团队中来自维也纳技术大学原子研究所的杰克-许雷布（Jake Xuereb）是第一篇论文的第一作者，他说："从数学上讲，改变量子计算机中的量子态相当于在更高维度上进行旋转。为了最终达到所需的状态，旋转必须持续一段非常特定的时间。否则，你就会把状态转得太短或太远"。

熵： 时间让一切变得越来越混乱

马库斯-胡贝尔和他的团队研究了哪些定律必须始终适用于每一个可以想象的时钟。他解释说："时间测量总是与熵有关。在每个封闭的物理系统中，熵都会增加，变得越来越无序。正是这种发展决定了时间的方向：未来是熵值更高的地方，过去是熵值更低的地方。"

如图所示，对时间的每一次测量都不可避免地伴随着熵的增加：例如，时钟需要一个电池，电池的能量通过时钟的机械装置最终转化为摩擦热和滴答声--在这个过程中，一个相当有序的状态发生了电池转化为热辐射和声音的相当无序的状态。

在此基础上，研究小组创建了一个数学模型，基本上所有可以想象的时钟都必须遵守这个模型。第二篇论文的第一作者弗洛里安-迈尔（Florian Meier）说："在熵增加一定的情况下，时间分辨率和精确度之间需要权衡。这意味着： 时钟要么快速工作，要么精确工作--两者不可能同时兼得。"

量子计算机的极限

这一认识为量子计算机带来了一个天然的限制：时钟所能达到的分辨率和精度限制了量子计算机所能达到的速度和可靠性。马库斯-胡贝尔说："目前这还不是问题，量子计算机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电磁场。但我们的计算也表明，今天我们离时间测量的基本限制发挥决定性作用的机制已经不远了。"

因此，如果量子信息处理技术得到进一步改进，人们将不可避免地要面对非最佳时间测量的问题。但谁知道呢：也许这正是我们了解量子世界的有趣方式。

编译来源：ScitechDaily