«Кошмарные» вычисления могут оказаться слишком сложными даже для квантовых компьютеров

Исследователи определили расчет «кошмарного сценария», связанный с экзотическими типами квантовой материи, который невозможно решить даже с помощью очень эффективного квантового компьютера.

Без учета сложности квантовых состояний материи определение фазы материала может быть относительно простым. Возьмем, к примеру, воду: сразу можно определить, находится ли она в твердой или жидкой фазе. Однако квантовая версия этой задачи может оказаться гораздо более сложной. Томас Шустер из Калифорнийского технологического института и его коллеги доказали, что идентификация квантовых фаз материи может оказаться слишком сложной даже для квантовые компьютеры.

Они математически проанализировали сценарий, в котором квантовому компьютеру предоставляется набор измерений квантового состояния объекта, и он должен идентифицировать его фаза. Шустер говорит, что это не всегда неразрешимая задача, но его команда доказала значительную часть квантовых фаз материи – более экзотических родственников жидкой воды и ледтакие как «топологические» фазы, в которых протекают нечетные электрические токи, — квантовому компьютеру, возможно, придется выполнять расчеты в течение невероятно долгого времени. Ситуация похожа на худшую версию лабораторного эксперимента, где для определения свойств образца потребуется держать прибор включенным в течение миллиардов или триллионов лет.

Это не делает квантовые компьютеры практически устаревшими для этой задачи. Шустер говорит, что эти фазы вряд ли проявятся в реальных экспериментах с материалами или квантовыми компьютерами — они являются скорее диагностикой того, чего в настоящее время не хватает нашему пониманию квантовых вычислений, чем непосредственной практической угрозой. “Они похожи на кошмарный сценарий, который будет очень плохим, если он появится. Вероятно, он не появится, но мы должны лучше это понять”, – говорит он.

Билл Фефферман в Чикагском университете в Иллинойсе говорят, что этот курс обучения открывает интригующие вопросы о том, что вообще могут делать компьютеры. «Это может что-то говорить об ограничениях вычислений в более широком смысле: несмотря на значительное ускорение некоторых конкретных задач, всегда будут задачи, которые все еще слишком сложны даже для эффективных квантовых компьютеров», — говорит он.

С математической точки зрения новое исследование соединяет аспекты квантовой информатики, которые используются в квантовая криптография с идеями, фундаментальными для физики материи, поэтому это также может помочь в продвижении обоих, говорит он.

В дальнейшем команда хочет расширить свой анализ до более энергичных или возбужденных квантовых фаз материи, которые, как известно, трудно вычислить в более широком смысле.