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科學(xué)家發(fā)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)也有無解題:識別物質(zhì)相態(tài)極難,宇宙某些特性或永遠(yuǎn)無法徹底理解
11 月 1 日消息,量子計(jì)算通常被視為破解復(fù)雜問題的關(guān)鍵,但加州理工學(xué)院(Caltech)研究人員發(fā)現(xiàn),即便是最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)也存在無法求解(或者說需要“無限時(shí)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(guān)研究成果已發(fā)表于預(yù)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(fù)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(xué)規(guī)律主導(dǎo),并受到量子漲落驅(qū)動。這些物質(zhì)相可根據(jù)其特征進(jìn)行分類,例如拓?fù)湎唷⒎瞧胶庀嗟取Q芯繄F(tuán)隊(duì)在論文中指出:
量子力學(xué)揭示了全新的物質(zhì)相,包括拓?fù)湫蚝褪軐ΨQ性保護(hù)的拓?fù)湎唷D軌蜃R別和表征這些多樣的物質(zhì)相,是物理學(xué)與信息科學(xué)中的基礎(chǔ)課題,對量子技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。
研究發(fā)現(xiàn):量子計(jì)算機(jī)也“解不了”
研究顯示,一些量子相(例如拓?fù)湫颍┰谟?jì)算上極難識別。研究團(tuán)隊(duì)通過分析發(fā)現(xiàn),隨著量子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)長度 ξ 增加,計(jì)算識別所需的時(shí)間會呈指數(shù)級增長;當(dāng) ξ = ω(log n) 時(shí),計(jì)算時(shí)間會超過多項(xiàng)式復(fù)雜度,變得幾乎不可解。
為檢驗(yàn)量子計(jì)算機(jī)能否完成這一任務(wù),團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型:量子計(jì)算機(jī)接收到某個(gè)量子態(tài)的信息后需識別其相態(tài)。
結(jié)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(hù)的拓?fù)湎啵撊蝿?wù)在量子計(jì)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(tuán)隊(duì)表示:
從概念層面來看,我們的結(jié)果應(yīng)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(shí)驗(yàn)中都無法被識別。
深層含義:認(rèn)識的極限
這項(xiàng)研究延續(xù)了 Thomas Schuster 團(tuán)隊(duì)此前關(guān)于隨機(jī)性與量子計(jì)算的研究。該團(tuán)隊(duì)早前曾指出:
我們的結(jié)果顯示,一些基本物理屬性 —— 如演化時(shí)間、物質(zhì)相態(tài)和因果結(jié)構(gòu) —— 可能難以通過常規(guī)量子實(shí)驗(yàn)獲取。這引發(fā)了關(guān)于“物理觀測本質(zhì)”的深層問題。
這項(xiàng)最新研究進(jìn)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(yuǎn)無法徹底理解。不過,科研團(tuán)隊(duì)也表示,未來的工作可能會探討哪些物理屬性能在實(shí)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。

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