Квантовые компьютеры часто рассматриваются как устройства будущего, способные решать задачи, которые классическим компьютерам потребовались бы тысячелетия. Они используют кубиты, которые одновременно находятся в нескольких состояниях благодаря эффектам суперпозиции и запутанности, что позволяет обрабатывать огромное количество вариантов одновременно и получать результаты с высокой скоростью.

Тем не менее, учёные из Калифорнийского технологического института (Caltech) во главе с Томасом Шустером обнаружили задачу, с которой даже квантовые компьютеры не справляются эффективно: определение фаз материи из неизвестных квантовых состояний.

В обычной физике различить жидкости и газы просто, но в квантовом мире ситуация сложнее. Квантовые фазы материи возникают при абсолютном нуле, и их поведение полностью определяется законами квантовой механики и её флуктуациями. Существуют различные типы фаз, включая топологические и несбалансированные (неравновесные), каждая из которых обладает уникальными свойствами.

Исследователи подчёркивают, что открытие и понимание таких фаз важно не только для фундаментальной физики, но и для разработки квантовых технологий следующего поколения. Некоторые фазы, например топологический порядок, крайне сложно идентифицировать даже с помощью квантовых компьютеров. Сложность растёт с увеличением корреляционной длины системы, ξ, которая показывает, на какое расстояние свойства одного элемента системы влияют на другие.

В статье показано, что по мере роста ξ время вычислений увеличивается экспоненциально. Если ξ растёт быстрее, чем логарифм размера системы, то задача становится суперполиномиальной, то есть практически нерешаемой в разумные сроки. Это указывает на фундаментальные ограничения квантовых компьютеров при анализе сложных квантовых фаз.

Шустер и его команда также отметили, что для некоторых классических и квантовых состояний фаза материи формально определена, но ни один квантовый эксперимент не может её эффективно выявить. Это выявляет внутренние ограничения в распознавании определённых сложных фаз.

Работа подчёркивает, что ключевые физические свойства — такие как время эволюции, фазы материи и причинная структура — могут быть слишком сложны для измерения стандартными квантовыми экспериментами. В будущем учёные планируют определить, какие свойства делают распознавание фаз более практичным, и разработать подходы для более эффективного анализа реальных квантовых систем.