科學(xué)家發(fā)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)也有無解題：識(shí)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(shí)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(tái) 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(dòng)。這些物質(zhì)相可根據(jù)其特征進(jìn)行分類，例如拓?fù)湎�、非平衡相等。研究團(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�。能夠識(shí)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(shí)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(shí)別所需的時(shí)間會(huì)呈指數(shù)級增長；當(dāng) ξ = ω(log n) 時(shí)，計(jì)算時(shí)間會(huì)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(shí)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�，該任�?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(shí)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(shí)別。

深層含義：認(rèn)識(shí)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(huì)探討哪些物理屬性能在實(shí)踐中使相態(tài)識(shí)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(shí)別是否可行。