新的信息传输方法达到量子速度极限

尽管量子计算机是一项新兴技术，尚未进行实际应用，但研究人员已经在研究约束量子技术的理论。研究人员发现，量子信息跨越任何量子设备的速度是有限的。

这些速度限制被称为Lieb-Robinson界线。对于某些任务，在理论所允许的最佳速度和人们所设计的最佳算法可能的速度之间存在着差距。就好像没有一家汽车制造商能想出如何制造出达到当地高速公路限速的车型一样。

但与道路上的限速不同，信息限速是不可忽视的，它是物理基本定律的必然结果。对于任何量子任务来说，相互作用在一定距离外产生影响（从而传递信息）的速度是有限制的。基本规则定义了可能的最佳性能。

2. 新量子协议达到量子信息理论速度极限

现在，由量子信息与计算机科学联合中心（QuICS）[1]研究员Alexey Gorshkov领导的一个研究小组发现了一个量子协议，该协议在某些量子任务中达到了理论速度极限。他们的成果为设计最佳量子算法提供了新的见解，并证明还没有一个未被发现的较低极限来阻挠做出更好设计的尝试。

Gorshkov同时也是联合量子研究所（JQI）[2]的研究员、美国国家标准与技术研究所（NIST）[3]的物理学家。他和同事最近发表在《Physical Review X》[4]杂志上的一篇文章中介绍了他们的新协议。

文章的主要作者JQI和QuICS的研究生Minh Tran说：“理论速度极限和可实现速度之间的这种差距一直困扰着我们，因为我们不知道是理论速度极限太高，还是我们不够聪明来改进这种差距。”

“实际上我们没有想到这个协议会如此强大，我们尝试了很多方法来提高边界，结果发现这是不可能的。因此，我们对这个结果感到兴奋。”

不出所料，在量子设备（如量子计算机）中发送信息的理论速度限制取决于设备的基础结构。新协议专为量子设备而设计，在这些设备中，基本构建块量子比特即使在彼此不相邻的情况下也会相互影响。

该团队为量子比特设计了协议，这些量子比特的相互作用随着它们之间的距离增加而减弱。新协议适用于一系列不会减弱得太快的相互作用，这涵盖了许多实用的量子技术构建块中的相互作用，包括氮空位色心（Nitrogen-Vacancy Centers）、里德堡原子（Rydberg Atoms,）、极性分子（Polar Molecules）和离子阱（Trapped Ions）。

3. 协议原理

值得一提的是，该协议可以将包含在未知量子态中的信息传输给远方的量子比特，这是实现量子计算机许多优势的基本特征。这限制了信息的传输方式，并排除了一些直接的方法，比如在新位置创建信息的副本。（这需要知道您正在传输的量子状态。）

在新的协议中，通过量子纠缠的特性，存储在一个量子比特上的数据与它的邻位共享，由于所有这些量子比特都有助于携带信息，因此它们会协同工作将其传播到其他量子比特组。而随着量子比特数量的增加，传递信息的速度也越来越快。

可以重复此过程以不断生成更大的量子比特块，从而越来越快地传递信息。因此，量子比特的信息传送，并不是像篮球场上一个接一个的传递球，更像是滚雪球一样。

但与真正的雪球不同，量子集合也可以自行展开。当这个过程反向运行时，信息被留在遥远的量子比特上，使所有其他的量子比特回到它们的原始状态。

当研究人员分析这个过程时，他们发现滚雪球的量子比特在物理学允许的理论极限下加速了信息。由于该协议达到了之前证明的极限，未来的协议应该无法超越它。

Tran对外表示："在实践方面，该协议不仅使我们能够传播信息，而且能够更快地纠缠粒子，使用纠缠的粒子，你可以做很多有趣的事情，比如以更高的精度进行测量和感应。而且快速移动信息也意味着你可以更快地处理信息。在建造量子计算机方面还有很多其他瓶颈，但至少在基本限制方面，我们知道哪些是可能的，哪些是不可能的。"

引用：

[1]https://quics.umd.edu/

[2]https://jqi.umd.edu/

[3]https://www.nist.gov/

[4]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.031016