Οι προκλήσεις των κβαντικών υπολογιστών με τις “εφιαλτικές” υπολογιστικές σενάρια

Η πρόκληση των κβαντικών φάσεων

Οι ερευνητές έχουν εντοπίσει έναν “εφιαλτικό” υπολογισμό που σχετίζεται με εξωτικούς τύπους κβαντικής ύλης, ο οποίος θα ήταν αδύνατο να λυθεί, ακόμα και για έναν πολύ αποδοτικό κβαντικό υπολογιστή. Χωρίς την πολυπλοκότητα των κβαντικών καταστάσεων της ύλης, ο προσδιορισμός της φάσης ενός υλικού μπορεί να είναι σχετικά απλός. Για παράδειγμα, στο νερό είναι εύκολο να διακρίνουμε αν είναι σε στερεά ή υγρή φάση. Ωστόσο, η κβαντική εκδοχή αυτής της εργασίας μπορεί να είναι πολύ πιο απαιτητική.

Η μελέτη του Thomas Schuster

Ο Thomas Schuster, στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, μαζί με την ομάδα του, απέδειξαν ότι η αναγνώριση των κβαντικών φάσεων της ύλης μπορεί να γίνει εξαιρετικά δύσκολη ακόμα και για κβαντικούς υπολογιστές. Η ομάδα ανέλυσε μαθηματικά ένα σενάριο όπου ένας κβαντικός υπολογιστής πρέπει να προσδιορίσει τη φάση ενός αντικειμένου βάσει ενός συνόλου μετρήσεων για την κβαντική κατάσταση του.

Οι εξωτικές φάσεις και τα όρια των κβαντικών υπολογιστών

Ο Schuster σημειώνει ότι αυτό δεν είναι πάντα ένα αδύνατο πρόβλημα, αλλά η ομάδα του απέδειξε ότι για ένα σημαντικό μέρος των κβαντικών φάσεων της ύλης, οι οποίες είναι πιο εξωτικές από το υγρό νερό και τον πάγο, όπως οι “τοπολογικές” φάσεις που περιλαμβάνουν παράξενες ηλεκτρικές ροές, ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να χρειαστεί να υπολογίσει για έναν αδύνατο χρόνο. Η κατάσταση αυτή μοιάζει με την πιο δύσκολη εκδοχή ενός εργαστηριακού πειράματος όπου η αναγνώριση των ιδιοτήτων ενός δείγματος θα απαιτούσε τη διατήρηση ενός οργάνου σε λειτουργία για δισεκατομμύρια ή τρισεκατομμύρια χρόνια.

Η πρακτική χρησιμότητα των κβαντικών υπολογιστών

Αυτό δεν καθιστά τους κβαντικούς υπολογιστές πρακτικά άχρηστους για αυτή την εργασία. Ο Schuster αναφέρει ότι αυτές οι φάσεις είναι απίθανο να εμφανιστούν σε πραγματικά πειράματα με υλικά ή κβαντικούς υπολογιστές. Αντίθετα, αποτελούν περισσότερο μια διαγνωστική ένδειξη για το πού η κατανόησή μας της κβαντικής υπολογιστικής υστερεί, παρά μια άμεση πρακτική απειλή. “Είναι σαν ένα εφιαλτικό σενάριο που θα ήταν πολύ κακό αν εμφανιζόταν. Πιθανότατα δεν εμφανίζεται, αλλά θα πρέπει να το κατανοήσουμε καλύτερα”, λέει.

Οι γενικότερες συνέπειες για την υπολογιστική

Ο Bill Fefferman, στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο στο Ιλινόις, αναφέρει ότι αυτή η πορεία μελέτης ανοίγει συναρπαστικά ερωτήματα για το τι μπορούν να κάνουν οι υπολογιστές γενικότερα. “Αυτό μπορεί να υποδηλώνει κάτι για τα όρια της υπολογιστικής πιο ευρέως, ότι παρά τις δραματικές αυξήσεις ταχύτητας για ορισμένες συγκεκριμένες εργασίες, θα υπάρχουν πάντα εργασίες που είναι πολύ δύσκολες ακόμα και για αποδοτικούς κβαντικούς υπολογιστές”, λέει.

Σύνδεση με την κβαντική κρυπτογραφία και την φυσική της ύλης

Μαθηματικά, η νέα μελέτη συνδέει πτυχές της κβαντικής επιστήμης της πληροφορίας που χρησιμοποιούνται στην κβαντική κρυπτογραφία με ιδέες θεμελιώδεις για τη φυσική της ύλης, οπότε θα μπορούσε να συμβάλει και στην πρόοδο και των δύο, αναφέρει ο Fefferman.

Μελλοντικές κατευθύνσεις έρευνας

Προχωρώντας, η ομάδα επιθυμεί να επεκτείνει την ανάλυσή τους στις κβαντικές φάσεις της ύλης που είναι πιο ενεργητικές ή διεγερμένες, οι οποίες είναι γνωστό ότι είναι ακόμα πιο δύσκολο να υπολογιστούν.