Hoe snel kan een kwantumcomputer rekenen? Hoewel volledig functionele versies van deze lang gezochte technologische wonderen nog moeten worden gebouwd, een theoreticus van het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft aangetoond dat, als ze kunnen worden gerealiseerd, er zijn mogelijk minder limieten aan hun snelheid dan eerder werd voorgesteld.

De bevindingen - beschreven als een "gedachten-experiment" door Stephen Jordan van NIST - gaan over een ander aspect van kwantumcomputersnelheid dan een andere groep NIST-onderzoekers ongeveer twee jaar geleden onderzocht. Terwijl de eerdere bevindingen betrekking hadden op hoe snel informatie kan reizen tussen twee schakelaars in de processor van een computer, Jordan's nieuwe artikel gaat over hoe snel die schakelaars van de ene staat naar de andere kunnen schakelen.

De snelheid van het omdraaien is gelijk aan de "kloksnelheid" van conventionele processors. Om berekeningen te maken, de processor verzendt wiskundige instructies die bekend staan ​​​​als logische bewerkingen die de configuraties van de schakelaars wijzigen. Moderne CPU's hebben kloksnelheden gemeten in gigahertz, wat betekent dat ze in staat zijn om een ​​paar miljard elementaire logische bewerkingen per seconde uit te voeren.

Omdat ze de kracht van de kwantummechanica gebruiken om hun berekeningen te maken, kwantumcomputers zullen noodzakelijkerwijs heel andere architecturen hebben dan de huidige machines. hun schakelaars, kwantumbits of "qubits" genoemd, " zal meer kunnen vertegenwoordigen dan alleen een 1 of 0, zoals conventionele processors doen; ze kunnen meerdere waarden tegelijk vertegenwoordigen, waardoor ze bevoegdheden krijgen die conventionele computers niet hebben.

Jordan's paper betwist al lang bestaande conclusies over wat kwantumtoestanden impliceren over kloksnelheid. Volgens de kwantummechanica, de snelheid waarmee een kwantumtoestand kan veranderen - en dus de snelheid waarmee een qubit kan omdraaien - wordt beperkt door de hoeveelheid energie die het heeft. Hoewel Jordan gelooft dat deze bevindingen geldig zijn, verschillende daaropvolgende artikelen door de jaren heen hebben betoogd dat ze ook een limiet impliceren aan hoe snel een kwantumcomputer in het algemeen kan berekenen.

"Op het eerste gezicht lijkt dit heel aannemelijk, Jordan zei. "Als je meer logische bewerkingen uitvoert, het is logisch dat uw schakelaars meer wijzigingen moeten ondergaan. In zowel conventionele als kwantumcomputerontwerpen, elke keer dat een logische bewerking plaatsvindt' - waardoor de schakelaars worden omgedraaid - ' springt de computer naar een nieuwe toestand'.

Met behulp van de wiskunde van kwantumsystemen, Jordan laat zien dat het mogelijk is om een ​​kwantumcomputer te bouwen die deze beperking niet heeft. In feite, met het juiste ontwerp, hij zei, de computer "kon een willekeurig groot aantal logische bewerkingen uitvoeren terwijl hij alleen door een constant aantal verschillende toestanden springt."

Niet intuïtief, in zo'n kwantumcomputer, het aantal logische bewerkingen dat per seconde wordt uitgevoerd, kan veel groter zijn dan de snelheid waarmee een qubit kan worden omgedraaid. Hierdoor zouden kwantumcomputers die dit ontwerp omarmen, eerder voorgestelde snelheidslimieten kunnen doorbreken.

Welke voordelen kan deze snellere kloksnelheid opleveren? Een van de belangrijkste beoogde toepassingen voor kwantumcomputers is de simulatie van andere fysieke systemen. Men dacht dat de theoretische maximumsnelheid op de kloksnelheid een bovengrens zou leggen voor de moeilijkheidsgraad van deze taak. Elk fysiek systeem, het argument ging, zou kunnen worden gezien als een soort computer - een met een kloksnelheid die wordt beperkt door de energie van het systeem. Het aantal klokcycli dat nodig is om het systeem op een kwantumcomputer te simuleren, moet vergelijkbaar zijn met het aantal klokcycli dat het oorspronkelijke systeem heeft uitgevoerd.

Echter, deze nieuw ontdekte mazen in de rekensnelheidslimiet zijn een 'tweesnijdend zwaard'. Als energie de snelheid van een kwantumcomputer niet beperkt, dan zouden kwantumcomputers fysieke systemen kunnen simuleren met een grotere complexiteit dan eerder werd gedacht. Maar energie beperkt ook niet de computationele complexiteit van natuurlijk voorkomende systemen, en dit kan het moeilijker maken om ze te simuleren op kwantumcomputers.

Jordan zei dat zijn bevindingen niet impliceren dat er geen grenzen zijn aan hoe snel een kwantumcomputer zou kunnen berekenen, maar dat deze grenzen voortkomen uit andere aspecten van de natuurkunde dan alleen de beschikbaarheid van energie.

"Bijvoorbeeld, als je rekening houdt met geometrische beperkingen, zoals hoe dicht je informatie kunt verpakken, en een limiet voor hoe snel u informatie kunt verzenden (namelijk, de snelheid van het licht), dan denk ik dat je meer solide argumenten kunt maken, " zei hij. "Dat zal je vertellen waar de echte grenzen aan de rekensnelheid liggen."