Ученые нашли задачу, непосильную даже для квантовых компьютеров

Группа исследователей из Калифорнийского технологического института, Гарвардского университета и подразделения Google Quantum AI выявила сценарий, при котором даже самые мощные квантовые компьютеры оказываются бессильны. Как сообщает издание New-Science.ru, ученые доказали, что определенные квантовые фазы материи могут быть математически неразрешимыми даже для систем, обладающих так называемым «квантовым превосходством».

Речь идет о редких экзотических квантовых состояниях, вероятность существования которых в реальных экспериментах крайне мала. Тем не менее их изучение помогает ученым понять фундаментальные ограничения квантовых технологий, которые еще недавно считались практически безграничными.

Фазы материи — один из ключевых аспектов современной физики. Если классические фазы описываются через модель Ландау, где переход между состояниями происходит из-за нарушения симметрии в структуре вещества, то квантовые фазы выходят далеко за пределы этой модели. Среди них — топологические фазы, обладающие особыми математическими свойствами и способностью формировать необычные электрические токи.

Проблема идентификации квантовых фаз остается одной из самых трудных в физике. Алгоритмы, которые применяются для их распознавания, требуют колоссального количества вычислительных ресурсов и времени, что делает их практически бесполезными для классических компьютеров. Ученые долгое время предполагали, что квантовые компьютеры смогут решить эту задачу, однако новое исследование показало обратное.

Команда физиков провела математический анализ, в ходе которого квантовому компьютеру предлагалось определить фазу неизвестного квантового состояния на основании набора данных. Результаты оказались неожиданными: даже при огромной вычислительной мощности выполнение подобных операций требует экспоненциально увеличивающегося времени. Чем больше дальность корреляций в исследуемом состоянии, тем сложнее и дольше длится расчет.

Исследователи подсчитали, что для некоторых квантовых фаз время вычислений может составлять миллионы или даже миллиарды лет — сроки, полностью исключающие практическое применение таких алгоритмов. Более того, аналогичные сложности возникают и при анализе классических фаз материи, что указывает на фундаментальный характер проблемы.

Несмотря на это, ученые подчеркивают, что их работа не обесценивает потенциал квантовых технологий. Речь идет лишь о крайне сложных сценариях, которые вряд ли встретятся в реальных физических системах. Тем не менее открытие важно с точки зрения понимания пределов возможностей квантовых вычислений.

Читайте также: