Under de senaste fem decennierna har standard datorprocessorer har blivit allt snabbare. Under de senaste åren har dock, gränserna för den tekniken har blivit tydliga:Chipkomponenter kan bara bli så små, och packas bara så nära varandra, innan de överlappar eller kortslutar. Om företag ska fortsätta bygga allt snabbare datorer, något måste förändras.

Ett viktigt hopp för framtiden för allt snabbare datorer är mitt eget område, kvantfysik. Kvantdatorer förväntas vara mycket snabbare än vad informationsåldern har utvecklat hittills. Men min senaste forskning har visat att kvantdatorer kommer att ha sina egna gränser - och har föreslagit sätt att ta reda på vad dessa gränser är.

Gränserna för förståelse

Till fysiker, vi människor lever i det som kallas den "klassiska" världen. De flesta kallar det bara "världen" "och har lärt mig fysiken intuitivt:Att kasta en boll skickar den upp och sedan ner i en förutsägbar båge, till exempel.

Även i mer komplexa situationer, människor tenderar att ha en omedveten förståelse för hur saker fungerar. De flesta förstår till stor del att en bil fungerar genom att bränna bensin i en förbränningsmotor (eller extrahera lagrad elektricitet från ett batteri), för att producera energi som överförs genom kugghjul och axlar för att vända däck, som trycker mot vägen för att flytta bilen framåt.

Enligt den klassiska fysikens lagar, det finns teoretiska gränser för dessa processer. Men de är orealistiskt höga:Till exempel, vi vet att en bil aldrig kan gå snabbare än ljusets hastighet. Och oavsett hur mycket bränsle som finns på planeten, eller hur mycket väg eller hur starka konstruktionsmetoder, ingen bil kommer nära att gå ens 10 procent av ljusets hastighet.

Människor möter aldrig världens faktiska gränser, men de finns, och med rätt forskning, fysiker kan identifiera dem. Tills nyligen, fastän, forskare hade bara en ganska vag uppfattning om att kvantfysiken också hade gränser, men visste inte hur de skulle ta reda på hur de kan gälla i den verkliga världen.

Heisenbergs osäkerhet

Fysiker spårar kvantteorins historia tillbaka till 1927, när den tyska fysikern Werner Heisenberg visade att de klassiska metoderna inte fungerade för mycket små föremål, de ungefär lika stora som enskilda atomer. När någon kastar en boll, till exempel, det är lätt att avgöra exakt var bollen är, och hur fort det går.

Men som Heisenberg visade, det är inte sant för atomer och subatomära partiklar. Istället, en observatör kan se antingen var det är eller hur snabbt det rör sig - men inte båda samtidigt. Detta är en obekväm insikt:Redan från det ögonblick Heisenberg förklarade sin idé, Albert Einstein (bland andra) var orolig med det. Det är viktigt att inse att denna "kvantosäkerhet" inte är en brist på mätutrustning eller teknik, utan snarare hur våra hjärnor fungerar. Vi har utvecklats till att vara så vana vid hur den "klassiska världen" fungerar att de faktiska fysiska mekanismerna i "kvantvärlden" helt enkelt ligger utanför vår förmåga att fullt ut förstå.

In i kvantvärlden

Om ett objekt i kvantvärlden reser från en plats till en annan, forskare kan inte mäta exakt när den har lämnat eller när den kommer. Fysikens gränser medför en liten fördröjning för att upptäcka den. Så oavsett hur snabbt rörelsen faktiskt sker, det kommer inte att upptäckas förrän lite senare. (Längden på tid här är otroligt liten - kvadriljondelar av en sekund - men summeras över biljoner datorberäkningar.)

Den fördröjningen saktar effektivt ner den potentiella hastigheten för en kvantberäkning - den påtvingar det vi kallar "kvanthastighetsgränsen".

Under de senaste åren, forskning, som min grupp har bidragit betydligt till, har visat hur denna kvantfartsgräns bestäms under olika förhållanden, som att använda olika typer av material i olika magnetiska och elektriska fält. För var och en av dessa situationer, kvantehastighetsgränsen är lite högre eller lite lägre.

Till allas stora förvåning, vi fann till och med att ibland oväntade faktorer kan hjälpa till att påskynda saker, ibland, på kontraintuitiva sätt.

För att förstå denna situation, det kan vara användbart att föreställa sig en partikel som rör sig genom vatten:Partikeln förskjuter vattenmolekyler när den rör sig. Och efter att partikeln har gått vidare, vattenmolekylerna flyter snabbt tillbaka dit de var, lämnar inga spår efter partikelns passage.

Föreställ dig nu samma partikel som reser genom honung. Honung har en högre viskositet än vatten - den är tjockare och flyter långsammare - så honungspartiklarna kommer att ta längre tid att flytta tillbaka efter partikeln går vidare. Men i kvantvärlden, det returflödet av honung kan bygga upp tryck som driver kvantpartikeln framåt. Denna extra acceleration kan göra en kvantpartikelns hastighetsbegränsning annorlunda än vad en observatör annars kan förvänta sig.

Designa kvantdatorer

När forskare förstår mer om denna kvanthastighetsbegränsning, det kommer att påverka hur kvantdatorprocessorer är utformade. Precis som ingenjörer räknade ut hur man krymper storleken på transistorer och packar dem närmare på ett klassiskt datorchip, de behöver lite smart innovation för att bygga de snabbast möjliga kvantsystemen, körs så nära den slutliga hastighetsgränsen som möjligt.

Det finns mycket för forskare som jag att utforska. Det är inte klart om kvantfartsgränsen är så hög att det är ouppnåeligt - som bilen som aldrig ens kommer att komma nära ljusets hastighet. Och vi förstår inte helt hur oväntade element i miljön - som honungen i exemplet - kan hjälpa till att påskynda kvantprocesser. I takt med att teknik baserad på kvantfysik blir vanligare, vi måste ta reda på mer om var gränserna för kvantfysik är, och hur man konstruerar system som drar bäst nytta av det vi vet.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.