Badacze zidentyfikowali „koszmarne scenariusz” obliczeń związanych z egzotycznymi rodzajami materii kwantowej, które byłoby niemożliwe do rozwiązania, nawet dla bardzo wydajnego komputera kwantowego.
Bez złożoności stanów kwantowych materii, określenie fazy materiału może być stosunkowo proste. Weźmy jako przykład wodę – łatwo jest stwierdzić, czy znajduje się w fazie stałej czy ciekłej. Jednak kwantowa wersja tego zadania może stanowić o wiele większe wyzwanie. Thomas Schuster z California Institute of Technology i jego koledzy udowodnili teraz, że identyfikacja faz kwantowej materii może być zbyt trudna nawet dla komputerów kwantowych.
Matematycznie przeanalizowali sytuację, w której komputer kwantowy otrzymuje zestaw pomiarów dotyczących stanu kwantowego obiektu i musi określić jego fazę. Schuster twierdzi, że to nie zawsze niemożliwy problem, ale jego zespół udowodnił, że dla znacznej części faz kwantowej materii – bardziej egzotycznych kuzynów wody i lodu, takich jak „topologiczne” fazy, które charakteryzują się dziwnymi prądami elektrycznymi – komputer kwantowy może potrzebować zbyt długiego czasu obliczeniowego. Sytuacja jest podobna do najgorszej wersji eksperymentu laboratoryjnego, w którym zidentyfikowanie właściwości próbki wymagałoby pozostawienia urządzenia włączonego przez miliardy lub biliony lat.
To nie oznacza, że komputery kwantowe są praktycznie przestarzałe do tego zadania. Schuster uważa, że te fazy prawdopodobnie nie pojawią się w rzeczywistych eksperymentach z materiałami ani komputerami kwantowymi – stanowią one raczej diagnostykę, gdzie brakuje nam obecnie zrozumienia kwantowej obliczeniowości niż realne zagrożenie. „Są jak koszmarne scenariusz, który byłby bardzo zły, gdyby się pojawił. Prawdopodobnie się nie pojawia, ale powinniśmy go lepiej zrozumieć” – mówi.
Bill Fefferman z University of Chicago w Illinois mówi, że ten kierunek studiów rodzi intrygujące pytania dotyczące tego, co komputery mogą ogólnie robić. „To może mówić coś o granicach obliczeń bardziej ogólnie, że pomimo osiągnięcia dramatycznych przyspieszeń dla pewnych konkretnych zadań, zawsze będą zadania, które są nadal zbyt trudne nawet dla wydajnych komputerów kwantowych” – twierdzi.
Matematycznie, nowe badanie łączy aspekty nauki o informacji kwantowej wykorzystywanej w kryptografii kwantowej z fundamentalnymi ideami fizyki materii, dlatego może również przyczynić się do rozwinięcia obu tych dziedzin, dodaje.
W przyszłości zespół chce poszerzyć swoją analizę na fazy kwantowej materii, które są bardziej energetyczne lub pobudzone, co wiadomo, że są jeszcze trudniejsze do obliczeń.
