Квантовые вычислительные машины традиционно представляют как технологии грядущих эпох, способные решать задачи, на реализацию которых классическому ПК потребовались бы тысячелетия. Они оперируют кубитами — единицами квантовой информации, пребывающими в суперпозиции и запутанности, что обеспечивает одновременную обработку множества сценариев и молниеносное получение результатов.
Однако группа исследователей из Калифорнийского технологического института (Caltech) под руководством Томаса Шустера обнаружила класс задач, с которыми даже квантовые процессоры не справляются эффективно: определение фаз квантовой материи по неизвестным квантовым состояниям.
Если в классической физике отличить жидкость от газа не составляет труда, то в квантовом мире ситуация значительно сложнее. Фазы квантовой материи формируются вблизи абсолютного нуля и полностью регулируются законами квантовой механики и её флуктуациями. Существуют различные разновидности квантовых фаз, включающие топологические и неравновесные, каждая из которых обладает особыми, зачастую экзотическими свойствами.
Учёные подчёркивают, что изучение и распознавание таких фаз важно не только для теоретической физики, но и для разработки квантовых технологий следующего поколения. Некоторые из фаз, в частности топологические, чрезвычайно трудно идентифицировать даже с помощью квантовых алгоритмов. При этом по мере увеличения корреляционной длины системы ξ — параметра, определяющего, на каком расстоянии свойства одного элемента влияют на другие — сложность анализа возрастает.
В работе демонстрируется, что по мере роста ξ время вычислений экспоненциально увеличивается. Если ξ растёт быстрее логарифма от размера системы, задача переходит в суперполиномиальную сложность и становится практически неразрешимой в разумные сроки.
Шустер и его коллеги также установили, что для ряда классических и квантовых состояний фаза материи формально определена, однако ни один квантовый эксперимент не способен эффективно её обнаружить, что выявляет внутренние ограничения на распознавание сложных квантовых структур.
Исследование подчёркивает, что ключевые параметры — время эволюции, квантовые фазы материи и причинно-следственные связи — могут оказаться слишком сложными для измерения стандартными квантовыми методами. В дальнейшем учёные намерены определить, какие именно свойства упрощают распознавание фаз, и разработать более эффективные подходы к анализу реальных квантовых систем.
Источник: iXBT
