Физики-теоретики нашли задачу, которая в принципе не под силу квантовым компьютерам

Ученые обнаружили «кошмарный сценарий» вычислений, связанный с экзотическими типами квантовой материи, которые было бы невозможно решить даже для весьма мощного квантового компьютера.

Без учета сложности квантовых состояний материи определить фазу вещества может быть сравнительно просто. Взять, к примеру, воду — легко отличить, в твердом она состоянии или жидком. Однако квантовая версия этой задачи может оказаться куда сложнее. Физик-теоретик Томас Шустер из Калифорнийского технологического института и его коллеги доказали, что распознавание квантовых фаз вещества может быть не под силу даже квантовым компьютерам.

В статье на arXiv они математически проанализировали сценарий, в котором квантовому компьютеру предоставляется набор измерений о квантовом состоянии объекта, и он должен определить его фазу. По словам Шустера, это не всегда неразрешимая проблема, но для значительной части квантовых фаз вещества — более экзотических аналогов жидкой воды и льда, таких как «топологические» фазы с их странными электрическими токами, — на расчеты квантовому компьютеру, возможно, потребуется недопустимо долгое время. Это можно сравнить с лабораторным экспериментом, в котором для определения свойств образца нужно держать прибор включенным в течение миллиардов или триллионов лет.

Это не делает квантовые компьютеры практически бесполезными для таких задач. Шустер говорит, что такие фазы вряд ли проявятся в реальных экспериментах с материалами или квантовыми компьютерами — они скорее показывают, в чем наше понимание квантовых вычислений пока недостаточно, а не представляют собой непосредственную практическую угрозу.

«Это что-то вроде кошмарного сценария, который, случись он [в реальности], был бы очень плох. Вряд ли он возможен, но нам следует изучить его лучше», — объясняет исследователь.

Это направление исследований поднимает любопытные вопросы о возможностях компьютеров в целом, считает Билл Фефферман из Чикагского университета.

«Возможно, это указывает на пределы вычислений в более широком смысле: каких бы ошеломительных скоростей мы ни достигли для определенных конкретных задач, всегда будут оставаться те, что слишком сложны даже для эффективных квантовых компьютеров», — подчеркивает он.

Математически новое исследование связывает аспекты науки о квантовой информации, которые используются в квантовой криптографии, с фундаментальными идеями физики материи, поэтому оно поможет развитию в обеих областях, добавляет он.

В перспективе команда планирует расширить свой анализ на более энергетически возбужденные квантовые фазы вещества, вычислять свойств которых, как известно, еще труднее.