Problem z identyfikacją faz materii kwantowej
Zespół pod kierunkiem Thomasa Schustera z Kalifornijskiego Instytutu Technologii zidentyfikował konkretny typ wyzwań obliczeniowych, które stanowią poważne wyzwanie dla komputerów kwantowych. Chodzi o określanie stanów fazowych materii kwantowej na podstawie nieznanych konfiguracji kwantowych. Ma to fundamentalne znaczenie dla rozwoju fizyki i nowych technologii. Fazy materii kwantowej to specyficzne stany występujące w ekstremalnie niskich temperaturach, których zachowanie opisują prawa mechaniki kwantowej. Kluczowym utrudnieniem jest fakt, że złożoność identyfikacji tych faz rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem parametru zwanego długością korelacji. Ten parametr określa, jak daleko sięgają wzajemne oddziaływania w systemie kwantowym.
Czytaj też: Origami rozwiązuje zagadkę fizyki kwantowej. Matematyk odkrył związek ze zderzeniami cząstek
Gdy długość korelacji przekracza logarytmiczną zależność od rozmiaru systemu, czas potrzebny na obliczenia staje się superwielomianowy. W praktyce oznacza to, iż rozwiązanie niektórych problemów związanych z fazami kwantowymi mogłoby zająć miliardy lat. I to nawet przy użyciu najszybszych komputerów kwantowych. Odkrycie naukowców z Caltech sięga jeszcze głębiej. Udowodnili oni, że istnieją stany materii o dobrze określonych fazach kwantowych, których nie da się zidentyfikować żadnym efektywnym eksperymentem kwantowym. To nie jest ograniczenie technologiczne, lecz fundamentalna bariera wynikająca z natury samej mechaniki kwantowej.
Nasze wyniki pokazują, że kilka fundamentalnych właściwości fizycznych – czas ewolucji, fazy materii i struktura przyczynowa – jest prawdopodobnie trudnych do poznania za pomocą konwencjonalnych eksperymentów kwantowych. To rodzi głębokie pytania o samą naturę obserwacji fizycznej – objaśnia Thomas Schuster i zespół, Kalifornijski Instytut Technologii
To nie pierwsze badania tej grupy dotyczące ograniczeń w świecie kwantowym. Wcześniej członkowie zespołu ustalili, że kluczowe właściwości fizyczne mogą być zbyt złożone do zmierzenia standardowymi metodami kwantowymi. Obecne odkrycie, opublikowane w formie preprintu, dostarcza matematycznego dowodu na potwierdzenie wcześniejszych przypuszczeń. Badania sugerują, jakoby niektóre aspekty rzeczywistości mogły pozostawać poza zasięgiem naszego pełnego zrozumienia. To podkreśla istnienie fundamentalnych granic w naszych możliwościach badania i opisywania natury.
Wyzwania technologiczne i praktyczne ograniczenia
Oprócz barier teoretycznych komputery kwantowe zmagają się z bardzo konkretnymi problemami technicznymi. Są niezwykle wrażliwe na zjawisko dekoherencji, w której kubity tracą swoje kwantowe właściwości na skutek interakcji z otoczeniem. To wymaga stosowania zaawansowanych systemów korekty błędów. Obecne maszyny kwantowe operują na poziomie około 1000 kubitów, podczas gdy szacunki wskazują, iż do złamania konwencjonalnych zabezpieczeń kryptograficznych potrzebny byłby system z około 20 milionami kubitów. To ogromna luka technologiczna, której zapełnienie może zająć jeszcze wiele lat.
Czytaj też: Fizycy przekraczają twierdzenie Carnota. Silniki kwantowe mogą być wydajniejsze od klasycznych
Identyfikacja i analiza złożonych faz kwantowych pozostaje kluczowa zarówno dla fizyki podstawowej, jak i rozwoju technologii kwantowych następnej generacji. Mechanika kwantowa odkryła zupełnie nowe stany materii, w tym porządek topologiczny i fazy chronione symetrią. Właśnie te egzotyczne stany mogą okazać się kluczowe dla budowy stabilniejszych kubitów. Odkrycie zespołu Schustera nie oznacza końca kwantowej rewolucji, a zarazem stanowi ważne przypomnienie o realnych ograniczeniach tej technologii. Komputery kwantowe nadal będą niezwykle wartościowym narzędziem do rozwiązywania wielu skomplikowanych problemów – po prostu nie wszystkich.