量子コンピューターは、量子状態を操作するために正確な時間測定を必要としますが、新しい研究では根本的な制限があることが明らかになりました。時計は、エネルギーとエントロピーの生成が限られているため、完璧な分解能と精度を同時に達成することはできません。これにより、量子コンピューティングの機能に固有の制限が生じます。量子技術が発展するにつれて、これらの時間測定の課題を克服することが重要になり、量子力学の新たな発見につながる可能性があります。
量子コンピューティングは、計算の実行にますます使いやすくなっています。しかし、研究によると、量子コンピューティングには、特に使用されるクロックの品質に関連した固有の制限があることがわかっています。
量子コンピューターの構築方法については、人によってさまざまな考えがあります。しかし、それらにはすべて共通点が 1 つあります。それは、単一の原子などの量子物理システムを取得し、特定の期間、非常に特定の力にさらすことで、その状態を変化させることです。ただし、これは、量子コンピューティング操作に依存して正しい結果を提供するには、できるだけ正確なクロックが必要であることを意味します。
しかし、ここに問題があります。完璧な時間測定は不可能です。すべての時計には、特定の精度と特定の時間分解能という 2 つの基本特性があります。時間分解能は、測定可能な時間間隔がどれだけ小さいか、つまり時計がどれだけ速く刻むかを表します。精度は各スケールの誤差を示します。
研究チームは、どの時計も無限量の利用可能なエネルギーを持っている (または無限量のエントロピーを生成している) ため、完璧な分解能と完璧な精度を同時に持つことは決してできないことを示すことができました。これは量子コンピューターの可能性を根本的に制限します。
私たちの古典的な世界では、完全な算術演算は問題ありません。たとえば、木のビーズを棒に通し、前後に押してそろばんを使うことができます。木製ビーズはしっかりとした状態です。それぞれの木製ビーズは非常に特殊な位置にあります。何もしなければ、木製ビーズは元の位置に残ります。
木製ビーズを速く動かしても、ゆっくり動かしても、結果には影響しません。しかし、量子物理学では状況はさらに複雑です。
「数学的に言えば、量子コンピューターの量子状態を変えることは、より高い次元で回転することと同じです。最終的に望ましい状態に到達するには、回転が非常に特定の時間継続する必要があります。そうでないと、状態を短くしすぎたり、遠すぎたりしてしまいます。」
エントロピー: 時間はすべてをより混沌とさせる
マルクス・フーバーと彼のチームは、考えられるすべての時計にどの法則が常に適用されなければならないかを調査しました。彼は次のように説明します。「時間の測定は常にエントロピーに関係しています。どの閉じた物理系でも、エントロピーは増加し、ますます無秩序になります。時間の方向を決定するのはこの発展です。未来はエントロピーがより高い場所であり、過去はエントロピーがより低い場所です。」
図に示すように、時間を測定するたびにエントロピーの増加が必然的に伴います。たとえば、時計には電池が必要ですが、その電池のエネルギーは最終的に時計の機構によって摩擦熱やカチカチ音に変換されます。その過程で、電池の規則正しい状態が、熱放射と音のかなり無秩序な状態に変わります。
これに基づいて、チームは、考えられるすべての時計が基本的に準拠しなければならない数学的モデルを作成しました。 2番目の論文の筆頭著者であるフロリアン・マイヤー氏は、「エントロピーがある程度増加すると、時間分解能と精度の間にトレードオフが生じる。これは、時計が速く動作するか、正確に動作するかのどちらかであることを意味する。両方を同時に行うことは不可能である」と述べた。
量子コンピューターの限界
この実現により、量子コンピューターには自然な制限が生じます。クロックが達成できる分解能と精度によって、量子コンピューターが達成できる速度と信頼性が制限されます。 「これはまだ問題ではありません」とマルクス・フーバー氏は言う。 「量子コンピューターの精度は、使用されるコンポーネントや電磁場の精度など、他の要因によって依然として制限されています。しかし、私たちの計算は、今日、時間測定の基本的な限界が決定的な役割を果たすメカニズムからそれほど遠くないことも示しています。」
したがって、量子情報処理技術がさらに進歩すると、時間計測が最適ではないという問題に直面することは避けられません。しかし、これは量子の世界を理解するための興味深い方法かもしれません。