Команда специалистов Калифорнийского технологического института под руководством Томаса Шустера доказала, что задача по распознаванию фаз материи неизвестных квантовых состояний требует настолько огромных вычислительных ресурсов, что решить ее практически невозможно.
Квантовые компьютеры используют кубиты — квантовые биты, которые благодаря явлениям суперпозиции и запутанности могут обрабатывать множество вариантов одновременно. Это позволяет им решать сложные задачи экспоненциально быстрее обычных компьютеров. Однако новое исследование показало, что даже у настолько мощных устройств есть принципиальные ограничения.
В обычном мире отличить жидкость от газа довольно просто, но в квантовом мире все гораздо сложнее. Квантовые фазы материи существуют при абсолютном нуле температуры, и их свойства определяются квантовыми флуктуациями. Среди них встречаются 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 характеризовать эти разнообразные фазы материи имеет фундаментальный интерес для физики и информатики и критически важна для развития квантовых технологий», — отмечают авторы работы.
Команда создала математический сценарий, в котором квантовому компьютеру предоставляется информация о квантовом состоянии объекта, и он должен определить его фазу. Оказалось, что время вычислений растет экспоненциально с увеличением корреляционной длины — меры расстояния, на котором свойства квантовой системы связаны друг с другом. Когда эта длина становится достаточно большой, вычисления становятся настолько долгими, что их невозможно завершить за разумное время.
«На концептуальном уровне наши результаты следует рассматривать как утверждение о наихудшем случае: существуют классические и квантовые состояния, фаза материи которых точно определена, но ее невозможно распознать в любом эффективном квантовом эксперименте», — пишут авторы.
Это открытие поднимает глубокие философские вопросы о природе физического наблюдения. Ранее в этом году Шустер и коллеги уже намекали на существование фундаментальных ограничений в познании: «Наши результаты показывают, что несколько фундаментальных физических свойств — время эволюции, фазы материи и причинная структура — вероятно, трудно изучить с помощью обычных квантовых экспериментов».
Похоже, некоторые свойства Вселенной имеют свои пределы, которые могут навсегда помешать нам полностью их понять. Тем не менее, ученые продолжат попытки найти обходные пути и выяснить, какие физические свойства делают распознавание фаз возможным на практике, несмотря на всю теоретическую сложность этого вопроса.
Ранее ученые раскрыли удивительные квантовые возможности сверхтвердого тела.
