即使在最小粒子的世界裡，事物也不能無限快速地發展。波恩大學的物理學家們現在已經證明了複雜量子運算的速度極限是多少。來自麻省理工學院、漢堡大學、科隆大學和帕多瓦大學以及Jülich研究中心的科學家也參與了這項研究。研究結果對量子計算機的實現以及其他方面都很重要。它們發表在著名的雜誌《物理評論X》上，並被美國物理學會的《物理雜誌》所覆蓋。

假設你看到一個服務生(封鎖已經成為歷史)在新年前夜必須在午夜前幾分鐘端上一整盤香檳酒杯。他以最快的速度從一個客人衝到另一個客人。由於他的技術經過多年的完善，他仍然設法不灑出一滴珍貴的液體。

有個小竅門可以幫他做到這一點:當服務員加快腳步的時候，他會把托盤稍微傾斜一點，這樣香檳就不會從杯子裡溢位來。在桌子走到一半的時候，他把桌子向相反的方向傾斜，慢了下來。只有當它完全停下來的時候，它才再次把它直立起來。

原子在某些方面與香檳相似。它們可以被描述為物質波，它的行為不像檯球，而更像液體。因此，任何想要儘可能快地將原子從一個地方傳送到另一個地方的人，都必須像新年前夜的服務員那樣熟練。波恩大學應用物理研究所領導這項研究的安德里亞·阿爾貝蒂博士解釋說:“即使這樣，這種傳輸也有一個速度限制，不能超過。”

作為香檳替代品的銫原子

在他們的研究中，研究人員透過實驗研究了這個極限的確切位置。他們用一個銫原子作為香檳的替代品，兩束鐳射完美地疊加在一起，但就像一個托盤一樣直接對著對方。這種疊加被物理學家稱為干涉，產生了一種駐波，即一系列最初不移動的山和谷。“我們把原子裝入其中一個谷中，然後讓駐波運動——這就改變了谷的位置，”Alberti說。“可以說，我們的目標是在儘可能短的時間內讓原子到達目標位置，同時不讓它溢位山谷。”

在微觀世界中存在速度限制的事實，早在60多年前，兩位蘇聯物理學家列奧尼德·曼德爾斯塔姆(Leonid Mandelstam)和伊戈爾·塔姆(Igor Tamm)就已經在理論上證明了。他們表明，量子過程的最大速度取決於能量的不確定性，即被操縱粒子相對於其可能的能量狀態有多“自由”:能量自由越大，速度就越快。例如，在原子的傳輸過程中，銫原子被困的山谷越深，山谷中量子態的能量就越分散，最終原子的傳輸速度就越快。類似的情況也可以在服務員的例子中看到:如果他只倒半杯(這讓客人很懊惱)，他在加速或減速時溢位香檳的風險就會降低。然而，粒子的能量自由不能任意增加。阿爾伯蒂強調說:“我們不能讓我們的山谷變得無限深——那會耗費我們太多的能量。”

曼德爾斯塔姆和塔姆的速度限制是一個基本限制。然而，只有在某些情況下，也就是在只有兩個量子態的系統中，才能達到它。“以我們的情況為例，當起點和終點非常接近時，就會發生這種情況，”物理學家解釋道。“這樣，原子的物質波在兩個位置就會重疊，原子就可以一次直接傳送到目的地，也就是說，中間不需要任何停頓——幾乎就像《星際迷航》(Star Trek)中的星際飛船企業號(Enterprise)中的瞬間傳送。”

然而，當距離增加到幾十個物質波的寬度時，情況就不同了，就像波恩實驗中那樣。對於這些距離，直接的瞬間移動是不可能的。相反，粒子必須經過幾箇中間狀態才能到達它的最終目的地:兩級系統變成了一個多級系統。研究表明，這類過程的速度限制比兩位蘇聯物理學家預測的要低:它不僅取決於能量的不確定性，還取決於中間態的數量。透過這種方式，這項工作提高了對複雜量子過程及其約束的理論理解。

這些物理學家的發現對量子計算很重要。量子計算機的計算能力主要是基於多級系統的操作。然而量子態非常脆弱。它們只持續很短的一段時間，物理學家稱之為相干時間。因此，在這段時間內打包儘可能多的計算操作是很重要的。Alberti解釋說:“我們的研究揭示了在相干時間內我們能做的最多操作。”“這使得我們能夠最佳地利用它。”