Kuantum bilgisayarların çözmesi akıl almaz miktarda zaman alan bir sorun

Kuantum hesaplamalarının zor olduğu bilinen bir gerçek, ancak kuantum bilgisayarların bu süreci kolaylaştıracağı düşünülebilir. Çoğu durumda bu doğrudur.

Kuantum bitleri veya kübitler, birçok olasılığı aynı anda işlemek için süperpozisyon ve dolaşma gibi kuantum olaylarını kullanır. Bu, karmaşık problemler için katlanarak daha hızlı hesaplama yapılmasına olanak tanır. Bununla birlikte, Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nden Thomas Schuster ve araştırma ekibi, kuantum bilgisayarlarına, onların bile makul bir sürede çözemeyeceği bir sorun verdi: bilinmeyen kuantum durumlarındaki maddenin evrelerini tanımak.

Ekibin araştırması, yayınlanan bir makalede bulunabilir. arXiv ön baskı sunucusu.

Kuantum hallerinde maddenin evreleri nelerdir?

Örneğin günlük hayatta sıvı faz ile gaz fazı arasında ayrım yapmak oldukça basittir ancak kuantum dünyasında işler çok daha karmaşık hale gelmesi şaşırtıcı değildir. Maddenin kuantum fazları mutlak sıfır sıcaklıkta meydana gelir ve kuantum mekaniği, kuantum dalgalanmaları tarafından yönlendirilen özelliklerini ve davranışlarını belirler. Kuantum fazlar, topolojik fazlar ve denge dışı fazlar gibi özelliklerine göre kategorize edilebilir.

Çalışmanın yazarları, “Kuantum mekaniği, topolojik düzen ve simetri korumalı topolojik fazlar da dahil olmak üzere maddenin tamamen yeni evrelerini ortaya çıkardı. Maddenin bu farklı evrelerini tanımlama ve karakterize etme yeteneği, fizik ve bilgi bilimi genelinde temel ilgi alanıdır ve kuantum teknolojilerinin ilerlemesi için çok önemlidir” diyor.

İmkansız görevler

Topolojik düzen gibi bu aşamalardan bazılarının hesaplamalı olarak tanınmasının zor olduğu bilinmektedir. Bir kuantum çok cisimli sistemin özelliklerinin ilişkilendirildiği mesafenin bir ölçüsü olarak tanımlanan korelasyon uzunluğu (aralık), arttıkça bu tanıma zorluğunu da artırıyor gibi görünüyor. Çalışma, hesaplama süresinin ξ olarak temsil edilen korelasyon aralığı ile üstel olarak büyüdüğünü ve ξ = ω(log n) olduğunda sistem boyutu n’de bir süper polinom haline geldiğini göstermektedir. Bu, anlaşılmaz hesaplama sürelerine neden olur ve hesaplamaların çözülmesini neredeyse imkansız hale getirir.

Bir kuantum bilgisayarın bu görevi nasıl yerine getireceğini belirlemek için ekip, bir kuantum bilgisayarına bir nesnenin kuantum durumu hakkında bilgi sunulan ve fazı tanımlaması gereken bir matematiksel senaryo geliştirdi. Maddenin fazını tanımanın, simetriyi bozan ve simetri korumalı topolojik (SPT) fazlar da dahil olmak üzere geniş bir faz sınıfı için kuantum hesaplama açısından zor olduğunu buldular. Bunun klasik aşamalara ve hem saf hem de karışık durumlara kadar uzandığını buldular.

Çalışmanın yazarları şöyle yazıyor: “Kavramsal düzeyde, sonuçlarımız en kötü durum ifadesi olarak görülmelidir: Maddenin fazı kesin olarak tanımlanmış, ancak herhangi bir etkili kuantum deneyinde tanınması imkansız olan klasik ve kuantum halleri mevcuttur.”

Çözümsüzlüğün sonuçları

Bu yılın başlarında Schuster ve meslektaşları rastgelelik ve kuantum bilgisayarlar hakkında bir makale yayınladılar. Makalede, araştırmalarında daha derin bir anlamın altını çizdiler ve şunu belirttiler: “Sonuçlarımız, bazı temel fiziksel özelliklerin (evrim zamanı, maddenin evreleri ve nedensel yapı) geleneksel kuantum deneyleri yoluyla öğrenilmesinin muhtemelen zor olduğunu gösteriyor. Bu, fiziksel gözlemin doğası hakkında derin soruları gündeme getiriyor.”

Bu çalışma, evrenin bazı özelliklerinin, onları tam olarak anlamamızı engelleyebilecek sınırlara sahip olduğu anlayışına doğru eğiliyor gibi görünüyor. Yine de bilim insanları denemeye devam edecek. Bu çalışmanın üzerine inşa edilebilecek gelecekteki çalışmalar, en kötü durum sertliğine rağmen hangi fiziksel özelliklerin faz tanımayı pratikte kolaylaştırdığını araştırmayı veya sabit yerel Hamiltonyenlerin temel durumları için faz tanımanın mümkün olup olmadığını araştırmayı içerebilir.