Квантовые компьютеры обладают уникальной мощностью и невероятной скоростью выполнения вычислений. Однако недавно специалисты выявили задачу, которая оказалась слишком трудной даже для этих технологических гигантов.
Группа исследователей из Калифорнийского технологического института под руководством Томаса Шустера установила, что задача по распознаванию фаз материи неизвестных квантовых состояний требует таких колоссальных вычислительных ресурсов, что её решение становится практически невозможным.
Квантовые компьютеры применяют кубиты — квантовые биты, которые благодаря эффектам суперпозиции и запутанности способны обрабатывать множество вариантов одновременно. Это позволяет им решать сложные проблемы в разы быстрее, чем традиционные компьютеры. Однако новое исследование выявило, что даже у таких мощных машин существуют принципиальные ограничения.
В привычном мире различить жидкость и газ довольно просто, но в квантовом мире ситуация гораздо сложнее. Квантовые фазы материи существуют при абсолютном нуле температуры, и их свойства определяются квантовыми флуктуациями. Среди них можно встретить топологические фазы, фазы с нарушенной симметрией и другие экзотические состояния.
«Квантовая механика открыла совершенно новые фазы материи, включая топологический порядок и симметрично-защищенные топологические фазы. Способность идентифицировать и описывать эти разнообразные фазы материи представляет фундаментальный интерес как для физики, так и для информатики и имеет критическое значение для прогресса квантовых технологий», — отмечают авторы исследования.
Исследователи разработали математическую модель, в которой квантовому компьютеру предоставляется информация о квантовом состоянии объекта, и он должен определить его фазу. Выяснилось, что время, необходимое для вычислений, возрастает экспоненциально с увеличением корреляционной длины — показателя расстояния, на котором свойства квантовой системы взаимосвязаны. Когда эта длина становится достаточной, вычисления затягиваются до такой степени, что их невозможно завершить в разумные сроки.
«На концептуальном уровне наши результаты следует рассматривать как утверждение о наихудшем случае: существуют классические и квантовые состояния, фаза материи которых точно известна, но её невозможно распознать в любом эффективном квантовом эксперименте», — сообщают авторы.
