Исследователи нашли фундаментальные ограничения для квантовых вычислений
Коллектив исследователей из США обнаружил класс вычислительных задач, которые остаются практически нерешаемыми даже для квантовых компьютеров. Ученые из Калифорнийского технологического института под руководством Томаса Шустера доказали, что определение фаз вещества из неизвестных квантовых состояний представляет собой проблему, не поддающуюся эффективному решению.
Квантовые компьютеры, использующие кубиты в состояниях суперпозиции и запутанности, способны одновременно обрабатывать огромное количество данных и решать задачи, недоступные для классических вычислительных систем. Однако новое теоретическое исследование демонстрирует фундаментальные ограничения даже для этих мощных машин.
Проблема возникает при работе с квантовыми фазами вещества, которые проявляются при абсолютном нуле и полностью описываются законами квантовой механики. Речь идет о таких состояниях, как топологический порядок и симметрийно-защищенные топологические фазы, идентификация и понимание которых критически важны для фундаментальной физики и разработки квантовых технологий нового поколения.
Сложность идентификации определенных квантовых фаз, в частности топологического порядка, возрастает с увеличением длины корреляции — меры того, насколько далеко свойства квантовой системы влияют друг на друга. Исследование показывает, что по мере роста длины корреляции, обозначаемой как ξ, требуемое вычислительное время увеличивается экспоненциально. Когда ξ растет быстрее, чем логарифм размера системы, необходимое время становится суперполиномиальным, что делает проблему практически нерешаемой за любой разумный промежуток времени.
Ученые также отмечают, что для некоторых классических и квантовых состояний с хорошо определенными фазами вещества не существует эффективного квантового эксперимента, способного их идентифицировать. Это указывает на внутренние ограничения в распознавании определенных сложных квантовых фаз. Работа команды Шустера, размещенная на сервере препринтов arXiv, продолжает их предыдущие исследования фундаментальных ограничений в квантовых вычислениях и ставит глубокие вопросы о том, как мы наблюдаем и понимаем физический мир, предполагая, что некоторые свойства Вселенной могут быть труднодоступны или даже недостижимы для полного понимания.