根本性局限，量子计算机不会超过 1000 个完美量子比特

著名物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）曾提出过一句格言：“万物源于比特（It from bit）”，暗示宇宙的本质可能建立在信息论之上。

然而，在标准的量子力学中，量子状态存在于连续的“希尔伯特空间（Hilbert Space）”中，这意味着即使是极少量的量子比特，似乎也能容纳无限多的信息。

这种“连续性”假设，正是当今量子计算机被认为拥有指数级无限算力的理论基石。

但如果这种连续性仅仅是一个美丽的数学错觉呢？

近日，牛津大学物理学家 Tim Palmer 在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表了一项颠覆性研究。他提出了一种名为“理性量子力学”（RaQM）的新理论框架，指出真实的希尔伯特空间本质上是离散的、颗粒化的。

在这个离散的宇宙中，量子计算机的算力不仅不是无限的，而且可能会在大约 1000 个量子比特时触及一道不可逾越的物理高墙。

01. 逃不掉的法则：引力与离散空间

为什么量子空间会是离散的？Palmer 给出的答案是：引力。

在传统的量子力学方程中，引力通常是被忽略的（即假设引力常数 G=0）。为了消除环境带来的量子退相干（Decoherence）干扰，科学家们甚至曾构想过一个极致的浪漫方案：将量子计算机安置在月球背面的深坑中运行，以实现完美的隔绝。

但Palmer的理论无情地打破了这种幻想。

他指出，由于爱因斯坦的等效原理，量子计算机永远无法屏蔽引力，它始终与宇宙的其他部分存在引力耦合。这种极其微弱但无处不在的引力作用，导致了量子状态空间的连续性发生破缺，使其变成有限的“像素点”。

02. 1000个量子比特的“信息赤字”

基于这一物理现实，Palmer引入了“量子比特信息容量”（QIC，即 N_max）的概念。

在标准量子力学中，每增加一个量子比特，系统探索的维度就会呈指数级翻倍增长（N 个量子比特对应 2^N+1−2 个自由度）。

但在Palmer的离散模型中，系统所能携带的实际物理信息量只能随比特数线性增长。

这就导致了一个无可避免的“信息赤字”，即当比特数量超过某个临界值 N_max时，系统中根本没有足够的信息位，去为呈指数级爆炸的维度分配哪怕一个比特的独立值。

根据 Diósi-Penrose 引力坍缩模型的定量估算，目前的量子比特技术极限大约在 200 到 400 之间；即便考虑到未来最极致的技术发展（例如利用宇宙年龄尺度的超低频光子），这个极限也绝对不会超过 1000 个完美的量子比特。

图｜随着量子比特数量的增加，信息会丢失（来源：Tim Palmer）

03. 并不是所有量子现象都会失效

需要强调的是，Palmer的预测有着非常严谨的物理边界。1000 个量子比特的极限，特指那些需要“在整个希尔伯特空间中进行最大程度的叠加和纠缠”的复杂任务。

首先是RSA 加密的确安全了。用来破解 2048 位 RSA 密码的“肖尔算法”（Shor’s algorithm）高度依赖于量子傅里叶变换，这需要全面探索指数级的庞大状态空间。因此，Palmer断言，既然经典计算机无法破解 2048 位 RSA 密码，量子计算机同样也做不到。

然而，Palmer 指出，并非否定超导等宏观量子现象。为什么包含阿伏伽德罗常数级别（10²³）电子的超导体依然能表现出完美的量子特性？理论解释称，这些宏观系统中的粒子锁定在了一个共同的集体波函数中，它们只在极小的一块状态子空间内演化，并没有去探索那些呈指数级增长的庞大维度，因此不受N_{max极限的制约。}

这也不意味着我们无法造出拥有上百万个“嘈杂量子比特”的机器。现代工程可以通过增加冗余比特来纠错。但在执行破解密码这类极限任务时，当有效计算能力逼近极限值时，它将遭受越来越强的离散“散粒噪声”干扰，最终表现不会优于经典计算机。

04. 通向宇宙终极理论的试金石

从更深邃的视角来看，这篇论文的主旨绝不仅仅是给狂热的量子计算产业泼冷水。

Palmer指出，在少量量子比特的情况下，他的“理性量子力学”与标准量子力学的实验表现完全一致，难以区分。

然而，如果关于大规模纠缠失效的预测能在未来不到 5 年的时间内，通过新一代量子计算机的实际运行得到证实，它将彻底颠覆近一个世纪以来的量子力学正统观念。

更重要的是，这将成为人类物理学史上的一座丰碑，这意味着物理学家们终于找到了将量子力学与引力物理结合起来的突破口。

如果这一天真的到来，量子计算机最大的科学与商业价值，或许不在于算力本身，而在于它充当了人类验证“量子引力大一统理论”的终极实验台，将是比单纯的算力革命更伟大的知识财富！

引用：

[1]https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2523350123

[2]https://phys.org/news/2026-03-quantum-fundamental-limit.html

联系与爆料： Qtumist_info@163.com

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