科學家發(fā)現(xiàn)量子計算機也有無解題：識別物質(zhì)相態(tài)極難，宇宙某些特性或永遠無法徹底理解

11 月 1 日消息，量子計算通常被視為破解復雜問題的關鍵，但加州理工學院（Caltech）研究人員發(fā)現(xiàn)，即便是最先進的量子計算機也存在無法求解（或者說需要“無限時間”才能解出）的問題 —— 識別未知量子態(tài)的物質(zhì)相 / 相態(tài)（phase of matter）。相關研究成果已發(fā)表于預印本平臺 arXiv。

研究背景：量子態(tài)中的“物質(zhì)相”

在日常世界中，區(qū)分液體與氣體相相對簡單；但在量子層面，情況卻要復雜得多。量子物質(zhì)相通常出現(xiàn)在絕對零度下，其性質(zhì)由量子力學規(guī)律主導，并受到量子漲落驅(qū)動。這些物質(zhì)相可根據(jù)其特征進行分類，例如拓撲相、非平衡相等。研究團隊在論文中指出：

量子力學揭示了全新的物質(zhì)相，包括拓撲序和受對稱性保護的拓撲相。能夠識別和表征這些多樣的物質(zhì)相，是物理學與信息科學中的基礎課題，對量子技術的發(fā)展至關重要。

研究發(fā)現(xiàn)：量子計算機也“解不了”

研究顯示，一些量子相（例如拓撲序）在計算上極難識別。研究團隊通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著量子系統(tǒng)關聯(lián)長度 ξ 增加，計算識別所需的時間會呈指數(shù)級增長；當 ξ = ω(log n) 時，計算時間會超過多項式復雜度，變得幾乎不可解。

為檢驗量子計算機能否完成這一任務，團隊設計了一個數(shù)學模型：量子計算機接收到某個量子態(tài)的信息后需識別其相態(tài)。

結果顯示，對于廣泛類別的相態(tài)（包括對稱性破缺相與受對稱性保護的拓撲相），該任務在量子計算層面上依然極難完成。這種困難甚至延伸到經(jīng)典相、純態(tài)與混合態(tài)的識別中。研究團隊表示：

從概念層面來看，我們的結果應被視為一種“最壞情況”陳述：存在一些經(jīng)典與量子態(tài)，其物質(zhì)相定義明確，但在任何高效的量子實驗中都無法被識別。

深層含義：認識的極限

這項研究延續(xù)了 Thomas Schuster 團隊此前關于隨機性與量子計算的研究。該團隊早前曾指出：

我們的結果顯示，一些基本物理屬性 —— 如演化時間、物質(zhì)相態(tài)和因果結構 —— 可能難以通過常規(guī)量子實驗獲取。這引發(fā)了關于“物理觀測本質(zhì)”的深層問題。

這項最新研究進一步暗示，宇宙中某些性質(zhì)可能存在根本限制，使人類永遠無法徹底理解。不過，科研團隊也表示，未來的工作可能會探討哪些物理屬性能在實踐中使相態(tài)識別變得容易，或研究在恒定局域哈密頓量的基態(tài)下，相態(tài)識別是否可行。