- 量子澤諾效應可能減慢量子電腦的計算速度。
- 該效應在絕熱量子電腦中尤為重要，影響其性能。
- 環境干擾可導致量子狀態的演變凍結。
- 改善環境噪音保護是未來量子電腦的挑戰。
在建設更大及更強大的量子電腦的競賽中，大多數焦點集中於工程技術，例如增加量子位元、降低噪音及保持脆弱的量子狀態。然而，一項新的理論研究指出，隨著這些機器的擴大，另一個被忽視的問題可能會出現。德累斯頓-羅森道夫赫爾姆霍茨中心（HZDR）的研究人員發現，一種稱為量子澤諾效應的奇特量子現象可能會導致某些量子電腦的計算速度顯著減慢，甚至在最壞的情況下幾乎完全停止計算。
該研究的作者指出：「在相當一般的條件下，我們發現量子澤諾效應對量子系統的性能構成了強大的限制。」這項研究並未揭示當前設備的缺陷，而是指出隨著量子電腦的擴大，設計者可能必須面對的基本擴展挑戰。
量子澤諾效應的影響
在他們的新研究中，HZDR 團隊表示，這種效應對於絕熱量子電腦尤為重要，這類機器廣泛應用於解決優化問題、搜尋龐大數據集及模擬分子。量子澤諾效應是量子力學中最反直覺的概念之一。它預測反覆測量量子系統可以防止其狀態改變，從而有效地凍結其演變。這一概念在實驗上已研究了數十年，早期的研究主要在孤立的實驗室系統中探討此現象，或作為故意控制量子狀態的一種方式。例如，一項理論工作顯示持續測量可以將量子系統困在特定狀態中。
HZDR 的研究人員提出了一個不同的問題——如果量子電腦無意中經歷這種效應會怎樣？
絕熱量子電腦的工作原理與基於閘的量子電腦不同。該研究的作者之一、HZDR 理論物理學研究所所長拉爾夫·舒茨霍爾德（Ralf Schützhold）表示，他們的「算法被認為具有魯棒性，並且可以在很大程度上獨立於所使用的硬件執行。」這些電腦不是執行一系列的量子邏輯操作，而是逐步重塑能量景觀，同時保持量子位元在其最低能量或基態。如果這一轉變足夠緩慢，基態自然演變為要解決問題的解。
在研究中，他們構建了一個與現實環境互動的絕熱量子電腦的理論模型。在實踐中，沒有任何量子處理器是完全孤立的。即使在冷卻至接近絕對零度（−273.15°C）的冰箱內，微小的熱量、電磁輻射或其他外部影響仍與量子位元互動，這些互動導致去相干，逐漸破壞了量子計算機的超位置和糾纏等微妙量子特性，這些特性賦予量子計算機其強大的計算能力。
環境的影響如同一個無意的檢測器，不斷檢查量子位元的狀態，儘管沒有人故意進行測量。團隊分析了著名的 Grover 搜索算法的絕熱版本，這是一種比傳統方法更快地搜尋未排序數據庫的量子算法。在絕熱計算中，算法從易於準備的量子狀態開始，然後緩慢地改變系統的能量景觀，稱為哈密頓量，直到基態代表所需的解。如果轉變足夠緩慢，量子位元在整個計算過程中自然保持在基態。計算顯示，擴展會創造出意想不到的脆弱性。
隨著問題大小的增長，基態與高能狀態之間的最小能量差距可能變得越來越小。隨著這些能量差異縮小，計算必須更緩慢地進行以保持絕熱性。由於計算所需的時間延長，而環境幹擾以大致相同的速度持續影響，量子澤諾效應變得越來越可能。該研究的作者之一、HZDR 理論物理學所的量子技術負責人格爾諾特·沙勒（Gernot Schaller）表示：「每一個擾動就像一次不必要的測量，減慢了系統的演變。
在最壞的情況下，計算甚至可能完全凍結。」
這種情況與蛋糕在烘焙時的情況相似，只有當烤箱保持關閉時，蛋糕才能正確上升，如果不斷打開門去查看，會中斷烘焙過程，導致蛋糕停止上升或甚至塌陷。同樣，重複的環境幹擾不斷中斷量子狀態的自然演變，使其無法達到期望的結局。更重要的是，這項研究並未暗示所有量子電腦都面臨相同的限制。該研究專注於絕熱量子算法及相關方法，例如量子退火，這些方法依賴於逐步跨越小的能量差距。
未來量子電腦的挑戰
針對建設更具韌性的量子電腦的路線圖，這項研究是理論性的而非實驗性的，因此其發現仍需在實際量子硬件中進行探討。然而，研究人員表示，可以通過改善對熱量和電磁幹擾的屏蔽，以及使用如自旋迴聲等技術來減少量子位元與其環境之間的互動，從而緩解這一問題。這些發現還表明，擴展量子電腦需要的不僅僅是簡單地增加量子位元。未來的系統可能需要更好的環境噪音保護和更智能的控制技術，以減少量子澤諾效應成為瓶頸的風險。
這項研究發表在《新物理學期刊》中。
量子電腦設計的新挑戰
量子澤諾效應的發現揭示了量子電腦在擴展過程中可能面臨的潛在瓶頸。隨著量子位元數量的增加，設計者需要考慮如何減少環境干擾對計算性能的影響。這不僅涉及硬件的改進，還需要更智能的控制技術來維持量子狀態的穩定性。這項研究的理論性結果強調了未來量子電腦設計中必須解決的挑戰，為量子計算的實用化提供了重要的思考方向。