Физики нашли непосильную даже для квантовых компьютеров задачу

Физики из Калифорнийского технологического института, Гарварда и Google Quantum AI доказали, что существует тип задач, который невозможно решить даже с помощью самых мощных квантовых компьютеров. Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, касается анализа экзотических квантовых фаз материи и их вычислительной сложности.

Квантовые фазы — это состояния вещества, выходящие за рамки классического представления о фазах, где переходы описываются нарушением симметрии по парадигме Ландау. Особый интерес представляют топологические фазы, отличающиеся особыми математическими свойствами и необычными электрическими эффектами. Они лежат в основе современных разработок в области квантовых технологий.

Несмотря на десятилетия исследований, определение квантовых фаз остаётся одной из наиболее трудных задач физики. Существующие алгоритмы требуют колоссальных вычислительных ресурсов, что делает их непрактичными даже на классических суперкомпьютерах. Учёные полагали, что квантовые компьютеры, обладающие так называемым квантовым превосходством, смогут справиться с этой задачей.

Однако команда исследователей показала, что это не так. Их математический анализ доказал: распознавание квантовой фазы неизвестного состояния является неразрешимой задачей — время вычислений растёт экспоненциально с увеличением числа коррелированных частиц. Даже идеальный квантовый алгоритм не сможет обработать такие данные в разумные сроки — расчёты заняли бы миллионы лет.

Учёные проверили гипотезу как на чистых, так и на смешанных состояниях, а также на системах с трансляционной инвариантностью, где свойства повторяются в пространстве. Сложность анализа оказалась одинаково высокой во всех случаях.

Исследователи подчёркивают, что это не означает бесполезность квантовых технологий. Речь идёт о редких и теоретически сложных фазах, которые маловероятны в природе. Однако открытие задаёт фундаментальные пределы квантовых вычислений и показывает, что даже у этой технологии есть границы возможностей.

В дальнейшем команда планирует изучить ещё более сложные квантовые состояния, чтобы понять, где именно проходят границы того, что можно вычислить в рамках физики и математики.