过去五十年间，标准计算机处理器的速度不断提升。然而近年来，这项技术的局限性已日益显现：芯片元件的尺寸和排列密度都有极限，超过极限就会发生重叠或短路。如果企业要继续制造速度越来越快的计算机，就必须有所改变。
对于计算速度不断提升的未来，一个重要希望来自我所从事的领域：量子物理学。量子计算机有望远超信息时代迄今开发出的任何计算设备。但我最近的研究发现，量子计算机也有自身的局限，并提出了找出这些局限的方法。
认知的局限
在物理学家看来，我们人类生活在所谓的“经典”世界。大多数人只称它为“世界”，并已凭直觉理解了物理规律：比如，抛出一个球，它会沿着可预测的弧线先上升再落下。
即使在更复杂的情形下，人们通常也会不自觉地理解事物的运作方式。大多数人基本明白，汽车通过燃烧汽油驱动内燃机（或从电池中提取储存的电能）来产生能量，再通过齿轮和车轴传递能量，带动车轮转动；车轮推压路面，使汽车向前行驶。
按照经典物理学定律，这些过程存在理论上的极限。但这些极限高得不切实际：例如，我们知道汽车永远不可能超过光速。无论地球上有多少燃料、道路有多长，或建造工艺多么坚固，汽车都不可能接近光速的十分之一。
人们从未真正遇到过世界的实际物理极限，但这些极限确实存在，物理学家经过适当研究便能将其识别出来。不过直到最近，学者们对量子物理学也有局限还只有相当模糊的认识，也不知道如何判断这些局限可能怎样应用于现实世界。
海森堡的不确定性
物理学家将量子理论的历史追溯到1927年。当时，德国物理学家维尔纳·海森堡指出，经典方法并不适用于非常微小的物体，也就是大小约为单个原子的物体。比如有人抛出一个球，我们很容易准确判断球在哪里，以及它移动得有多快。
但正如海森堡所指出的，这一方法不适用于原子和亚原子粒子。观察者只能看到它的位置或移动速度，却无法在同一时刻同时准确测得两者。这一认识令人难以接受：海森堡提出这一观点后，阿尔伯特·爱因斯坦等人便对此感到不安。重要的是要认识到，这种“量子不确定性”并非测量设备或工程技术的缺陷，而是与我们大脑的运作方式有关。我们已经进化到非常习惯“经典世界”的运行方式，以至于“量子世界”实际的物理机制超出了我们充分理解的能力。
进入量子世界
如果量子世界中的物体从一个位置移动到另一个位置，研究人员就无法准确测量它何时离开、何时到达。物理定律的限制会使探测到它的时间略有延迟。因此，无论它实际移动得多快，我们都要稍后才能探测到它。（这里的时间间隔极其微小，仅为千万亿分之一秒，但累积到数万亿次计算时就会产生影响。）
这种延迟实际上会降低量子计算的潜在速度，形成我们所说的“量子速度极限”。
过去几年里，有关量子速度极限的研究——我的团队对此作出了重要贡献——揭示了在不同条件下如何确定这一极限，例如使用不同类型的材料，并置于不同的磁场和电场中。在每种情况下，量子速度极限都会略有高低。
令所有人都大感意外的是，我们甚至发现，有时意想不到的因素能够加快运算，某些时候其作用方式还违反直觉。
要理解这种情况，可以想象一个粒子在水中移动：它会推动水分子。粒子经过后，水分子很快流回原处，不留下粒子经过的痕迹。
现在想象同一个粒子在蜂蜜中移动。蜂蜜的黏度比水高——更浓稠，流动也更慢——因此粒子经过后，蜂蜜粒子需要更长时间才能流回原处。但在量子世界中，蜂蜜回流可能会积聚压力，推动量子粒子向前。这种额外加速会使量子粒子的速度极限有别于观察者原本的预期。
量子计算机的设计
随着研究人员对量子速度极限有更深入的认识，量子计算机处理器的设计也将受到影响。正如工程师想办法缩小晶体管的尺寸，并在经典计算机芯片上将它们排列得更加紧密一样，他们也需要巧妙创新，打造尽可能快的量子系统，使其运行速度尽可能接近最终速度极限。
像我这样的研究人员还有许多问题有待探索。我们尚不清楚量子速度极限是否高到无法企及——就像汽车永远无法接近光速一样。我们也未能充分理解环境中的意外因素——例如前文所说的蜂蜜——如何帮助加快量子过程。随着基于量子物理学的技术日益普及，我们需要进一步弄清量子物理学的局限在哪里，以及如何设计系统，最大限度地利用我们已知的信息。
