In de afgelopen vijf decennia is standaard computerprocessors zijn steeds sneller geworden. In recente jaren, echter, de grenzen aan die technologie zijn duidelijk geworden:chipcomponenten kunnen alleen zo klein worden, en slechts zo dicht op elkaar gepakt, voordat ze elkaar overlappen of kortsluiten. Als bedrijven steeds snellere computers willen blijven bouwen, er zal iets moeten veranderen.

Een belangrijke hoop voor de toekomst van steeds snellere computers is mijn eigen vakgebied, kwantumfysica. Van kwantumcomputers wordt verwacht dat ze veel sneller zijn dan alles wat het informatietijdperk tot nu toe heeft ontwikkeld. Maar mijn recente onderzoek heeft aangetoond dat kwantumcomputers hun eigen limieten zullen hebben - en heeft manieren voorgesteld om erachter te komen wat die limieten zijn.

De grenzen van begrip

aan natuurkundigen, wij mensen leven in wat de 'klassieke' wereld wordt genoemd. De meeste mensen noemen het gewoon "de wereld, " en zijn de natuurkunde intuïtief gaan begrijpen:als je een bal gooit, wordt deze in een voorspelbare boog omhoog en dan weer naar beneden gestuurd, bijvoorbeeld.

Ook in complexere situaties mensen hebben de neiging om onbewust te begrijpen hoe dingen werken. De meeste mensen begrijpen grotendeels dat een auto werkt door benzine te verbranden in een verbrandingsmotor (of opgeslagen elektriciteit uit een batterij te halen), om energie te produceren die via tandwielen en assen wordt overgedragen om banden te laten draaien, die tegen de weg duwen om de auto vooruit te bewegen.

Volgens de wetten van de klassieke natuurkunde, er zijn theoretische grenzen aan deze processen. Maar ze zijn onrealistisch hoog:bijvoorbeeld we weten dat een auto nooit sneller kan gaan dan het licht. En hoeveel brandstof er ook op de planeet is, of hoeveel rijweg of hoe sterk de constructiemethoden, geen enkele auto komt zelfs maar in de buurt van 10 procent van de snelheid van het licht.

Mensen komen nooit echt de fysieke grenzen van de wereld tegen, maar ze bestaan, en met goed onderzoek, natuurkundigen kunnen ze herkennen. Tot voor kort, Hoewel, geleerden hadden alleen een nogal vaag idee dat de kwantumfysica ook grenzen had, maar wist niet hoe ze erachter moesten komen hoe ze in de echte wereld zouden kunnen worden toegepast.

De onzekerheid van Heisenberg

Natuurkundigen traceren de geschiedenis van de kwantumtheorie terug tot 1927, toen de Duitse natuurkundige Werner Heisenberg aantoonde dat de klassieke methoden niet werkten voor zeer kleine objecten, die ongeveer zo groot zijn als individuele atomen. Als iemand een bal gooit, bijvoorbeeld, het is gemakkelijk om precies te bepalen waar de bal is, en hoe snel het gaat.

Maar zoals Heisenberg liet zien, dat geldt niet voor atomen en subatomaire deeltjes. In plaats daarvan, een waarnemer kan zien waar het is of hoe snel het beweegt - maar niet beide op exact hetzelfde moment. Dit is een ongemakkelijk besef:zelfs vanaf het moment dat Heisenberg zijn idee uitlegde, Albert Einstein (onder andere) had er moeite mee. Het is belangrijk om te beseffen dat deze "kwantumonzekerheid" geen tekortkoming is van meetapparatuur of engineering, maar eerder hoe onze hersenen werken. We zijn zo geëvolueerd dat we zo gewend zijn aan hoe de 'klassieke wereld' werkt dat de feitelijke fysieke mechanismen van de 'kwantumwereld' ons vermogen om volledig te begrijpen te boven gaan.

De kwantumwereld betreden

Als een object in de kwantumwereld van de ene locatie naar de andere reist, onderzoekers kunnen niet precies meten wanneer het is vertrokken en ook niet wanneer het zal aankomen. De grenzen van de natuurkunde leggen een kleine vertraging op bij het detecteren ervan. Dus hoe snel de beweging ook gaat, het zal pas iets later worden gedetecteerd. (De tijdsduur hier is ongelooflijk klein - biljardsten van een seconde - maar telt op tot meer dan triljoenen computerberekeningen.)

Die vertraging vertraagt ​​effectief de potentiële snelheid van een kwantumberekening - het legt de 'kwantumsnelheidslimiet' op.

De afgelopen jaren, Onderzoek, waaraan mijn fractie aanzienlijk heeft bijgedragen, heeft laten zien hoe deze kwantumsnelheidslimiet onder verschillende omstandigheden wordt bepaald, zoals het gebruik van verschillende soorten materialen in verschillende magnetische en elektrische velden. Voor elk van deze situaties de kwantumsnelheidslimiet is iets hoger of iets lager.

Tot ieders grote verrassing, we ontdekten zelfs dat soms onverwachte factoren kunnen helpen om dingen te versnellen, soms, op contra-intuïtieve manieren.

Om deze situatie te begrijpen, het kan nuttig zijn om je een deeltje voor te stellen dat door water beweegt:het deeltje verplaatst watermoleculen terwijl het beweegt. En nadat het deeltje verder is gegaan, de watermoleculen stromen snel terug waar ze waren, laat geen spoor achter van de passage van het deeltje.

Stel je nu voor dat hetzelfde deeltje door honing reist. Honing heeft een hogere viscositeit dan water - het is dikker en stroomt langzamer - dus de honingdeeltjes zullen er langer over doen om terug te bewegen nadat het deeltje verder is gegaan. Maar in de kwantumwereld de terugkerende stroom honing kan druk opbouwen die het kwantumdeeltje voortstuwt. Deze extra versnelling kan de snelheidslimiet van een kwantumdeeltje anders maken dan een waarnemer anders zou verwachten.

Kwantumcomputers ontwerpen

Naarmate onderzoekers meer begrijpen over deze kwantumsnelheidslimiet, het zal van invloed zijn op hoe kwantumcomputerprocessors zijn ontworpen. Net zoals ingenieurs ontdekten hoe ze de grootte van transistors konden verkleinen en ze dichter bij elkaar konden brengen op een klassieke computerchip, ze hebben een slimme innovatie nodig om de snelst mogelijke kwantumsystemen te bouwen, zo dicht mogelijk bij de uiterste snelheidslimiet rijden.

Er valt veel te ontdekken voor onderzoekers zoals ik. Het is niet duidelijk of de kwantumsnelheidslimiet zo hoog is dat het onbereikbaar is - zoals de auto die nooit in de buurt van de lichtsnelheid zal komen. En we begrijpen niet helemaal hoe onverwachte elementen in de omgeving – zoals de honing in het voorbeeld – kunnen helpen om kwantumprocessen te versnellen. Naarmate technologieën op basis van kwantumfysica steeds gebruikelijker worden, we zullen meer moeten weten over waar de grenzen van de kwantumfysica liggen, en hoe we systemen kunnen ontwikkelen die het beste profiteren van wat we weten.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.