Hur snabbt kommer en kvantdator att kunna beräkna? Medan fullt fungerande versioner av dessa länge eftersökta tekniska underverk ännu inte har byggts, en teoretiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har visat att, om de kan förverkligas, det kan finnas färre gränser för deras hastighet än vad som tidigare lagts fram.

Fynden - som beskrivs som ett "tankeexperiment" av NIST:s Stephen Jordan - handlar om en annan aspekt av kvantberäkningshastighet än en annan grupp av NIST-forskare som utforskades för ungefär två år sedan. Medan de tidigare fynden handlade om hur snabbt information kan färdas mellan två switchar i en dators processor, Jordans nya papper handlar om hur snabbt dessa växlar kan växla från en stat till en annan.

Vändningshastigheten motsvarar "klockhastigheten" för konventionella processorer. För att göra beräkningar, processorn skickar ut matematiska instruktioner som kallas logiska operationer som ändrar switcharnas konfigurationer. Dagens processorer har klockhastigheter mätt i gigahertz, vilket innebär att de är kapabla att utföra några miljarder elementära logiska operationer per sekund.

Eftersom de utnyttjar kraften i kvantmekaniken för att göra sina beräkningar, kvantdatorer kommer med nödvändighet att ha helt andra arkitekturer än dagens maskiner. Deras strömbrytare, kallas kvantbitar eller "kvantbitar, " kommer att kunna representera mer än bara en 1 eller 0, som konventionella processorer gör; de kommer att kunna representera flera värden samtidigt, ge dem krafter som konventionella datorer inte har.

Jordans papper ifrågasätter långvariga slutsatser om vad kvanttillstånd innebär om klockhastighet. Enligt kvantmekaniken, hastigheten med vilken ett kvanttillstånd kan förändras - och därför hastigheten med vilken en kvantbit kan vända - begränsas av hur mycket energi den har. Även om Jordan anser att dessa fynd är giltiga, flera efterföljande artiklar genom åren har hävdat att de också innebär en gräns för hur snabbt en kvantdator kan beräkna i allmänhet.

"Vid första anblicken verkar detta ganska rimligt, " sa Jordan. "Om du utför fler logiska operationer, Det är logiskt att dina switchar skulle behöva genomgå fler ändringar. I både konventionella och kvantberäkningsdesigner, varje gång en logisk operation inträffar"—får dess omkopplare vända — "hoppar datorn till ett nytt tillstånd."

Genom att använda kvantsystems matematik, Jordan visar att det är möjligt att konstruera en kvantdator som inte har denna begränsning. Faktiskt, med rätt design, han sa, datorn "kunde utföra ett godtyckligt stort antal logiska operationer samtidigt som den bara hoppar genom ett konstant antal distinkta tillstånd."

kontraintuitivt, i en sådan kvantdator, antalet logiska operationer som utförs per sekund kan vara mycket större än den hastighet med vilken vilken qubit som helst kan vändas. Detta skulle tillåta kvantdatorer som anammar denna design att bryta tidigare föreslagna hastighetsgränser.

Vilka fördelar kan denna snabbare klockhastighet ge? En av de primära tillämpningarna för kvantdatorer är simulering av andra fysiska system. Den teoretiska hastighetsgränsen för klockhastighet ansågs sätta en övre gräns för svårigheten med denna uppgift. Alla fysiska system, argumentet gick, kan ses som en sorts dator — en med en klockhastighet som begränsas av systemets energi. Antalet klockcykler som behövs för att simulera systemet på en kvantdator bör vara jämförbart med antalet klockcykler som det ursprungliga systemet utförde.

Dock, dessa nyupptäckta kryphål till beräkningshastighetsgränsen är ett "tveeggat svärd." Om energin inte begränsar hastigheten på en kvantdator, då kunde kvantdatorer simulera fysiska system av större komplexitet än man tidigare trott. Men energi begränsar inte heller beräkningskomplexiteten hos naturligt förekommande system, och detta kan göra dem svårare att simulera på kvantdatorer.

Jordan sa att hans fynd inte innebär att det inte finns några gränser för hur snabbt en kvantdator kan tänkas beräkna, men att dessa gränser härrör från andra aspekter av fysiken än bara tillgången på energi.

"Till exempel, om du tar hänsyn till geometriska begränsningar, som hur tätt du kan packa information, och en gräns för hur snabbt du kan överföra information (dvs. ljusets hastighet), då tror jag att du kan föra mer solida argument, " sa han. "Det kommer att berätta var de verkliga gränserna för beräkningshastigheten ligger."