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

Квантовые компьютеры обладают огромным потенциалом для решения многих задач быстрее и эффективнее, чем обычные компьютеры, но исследователи начинают понимать, где они могут дать сбой.

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

Без учёта сложности квантовых состояний вещества определение фазы вещества может быть относительно простым. Возьмём, к примеру, воду: легко определить, находится ли она в твёрдой или жидкой фазе. Однако квантовая версия этой задачи может оказаться гораздо сложнее. Томас Шустер из Калифорнийского технологического института и его коллеги доказали, что определение квантовых фаз вещества может оказаться слишком сложной задачей даже для квантовых компьютеров.

Они математически проанализировали сценарий, в котором квантовому компьютеру предоставляется набор измерений квантового состояния объекта, и он должен определить его фазу. Шустер говорит, что это не всегда неразрешимая задача, но его команда доказала, что для значительной части квантовых фаз материи – более экзотических родственников жидкой воды и льда, таких как «топологические» фазы, характеризующиеся нечётными электрическими токами – квантовому компьютеру может потребоваться невероятно много времени для вычислений. Ситуация похожа на худший вариант лабораторного эксперимента, где для определения свойств образца потребовалось бы держать прибор включённым миллиарды или триллионы лет.

Это не делает квантовые компьютеры практически ненужными для этой задачи. Шустер говорит, что эти фазы вряд ли проявятся в реальных экспериментах с материалами или квантовыми компьютерами — они скорее служат диагностическим индикатором того, чего нам пока не хватает в понимании квантовых вычислений, чем представляют собой непосредственную практическую угрозу. «Они подобны кошмарному сценарию, который будет очень плох, если появится. Вероятно, он не появится, но нам следует лучше его понять», — говорит он.

Билл Фефферман из Чикагского университета в Иллинойсе говорит, что этот курс обучения поднимает интригующие вопросы о возможностях компьютеров в целом. «Это может свидетельствовать о пределах вычислений в более широком смысле: несмотря на значительное ускорение некоторых конкретных задач, всегда будут задачи, которые всё ещё слишком сложны даже для эффективных квантовых компьютеров», — говорит он.

По его словам, с математической точки зрения новое исследование связывает аспекты квантовой информатики, используемые в квантовой криптографии, с идеями, лежащими в основе физики материи, поэтому оно может способствовать развитию обеих областей.

В дальнейшем группа хочет расширить свой анализ на квантовые фазы материи, которые обладают большей энергией или возбуждены и которые, как известно, трудно вычислить в еще более широком смысле.

arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2510.08503

Источник: www.newscientist.com