۱ نوامبر ۲۰۲۵، عکس از نویسنده: بوجان استویکوفسکی -شبکه انتزاعی با خطوط درخشانFreepik
کامپیوترهای کوانتومی اغلب به عنوان حلکنندههای نهایی مسائل در نظر گرفته میشوند که قادر به انجام محاسباتی هستند که ماشینهای کلاسیک هزاران سال طول میکشد. با استفاده از بیتهای کوانتومی یا کیوبیتها که از برهمنهی و درهمتنیدگی بهره میبرند، میتوانند احتمالات بیشماری را به طور همزمان پردازش کرده و نتایج را با سرعتهای شگفتانگیزی ارائه دهند.
با این حال، حتی این ماشینهای قدرتمند نیز محدودیتهایی دارند و اکنون، محقق توماس شوستر و تیمش در موسسه فناوری کالیفرنیا مشکلی را شناسایی کردهاند که کامپیوترهای کوانتومی نمیتوانند به طور موثر آن را حل کنند: تعیین فازهای ماده از حالتهای کوانتومی ناشناخته.
یافتههای آنها که در سرور پیشچاپ arXiv منتشر شده است، نشان میدهد که برخی از چالشهای کوانتومی سرسختانه فراتر از دسترس کوانتومی باقی ماندهاند.
در حالی که تشخیص مایعات از گازها در زندگی روزمره ساده است، دنیای کوانتومی چالشهای بسیار بزرگتری را ارائه میدهد. فازهای کوانتومی ماده در صفر مطلق پدیدار میشوند و رفتار آنها کاملاً توسط مکانیک کوانتومی و نوسانات ذاتی آن اداره میشود. این فازها شامل اشکال مختلفی مانند فازهای توپولوژیکی و غیرتعادلی هستند که هر کدام خواص منحصر به فردی دارند.
نویسندگان این مطالعه تأکید میکنند که مکانیک کوانتومی حالتهای کاملاً جدیدی از ماده، از جمله نظم توپولوژیکی و فازهای توپولوژیکی محافظتشده از تقارن را کشف کرده است و شناسایی و درک این فازها هم برای فیزیک بنیادی و هم برای توسعه فناوریهای کوانتومی نسل بعدی بسیار مهم است، Phys.org گزارش داد.
شناسایی فازهای کوانتومی خاص، مانند نظم توپولوژیکی، برای رایانهها بسیار دشوار است. این چالش با افزایش طول همبستگی، معیاری برای سنجش میزان تأثیر ویژگیهای یک سیستم کوانتومی بر یکدیگر، افزایش مییابد.
این مطالعه نشان میدهد که با افزایش این محدوده، که با ξ نشان داده میشود، زمان محاسباتی مورد نیاز به صورت نمایی افزایش مییابد. وقتی ξ سریعتر از لگاریتم اندازه سیستم رشد میکند، زمان مورد نیاز به صورت چندجملهای فوقالعاده در میآید و عملاً حل مسئله را در هر بازه زمانی معقول غیرممکن میکند. این موضوع، محدودیتهای حتی پیشرفتهترین کامپیوترهای کوانتومی را هنگام مواجهه با فازهای کوانتومی پیچیده برجسته میکند.
کامپیوترهای کوانتومی ممکن است در آشکارسازی جنبههای کلیدی واقعیت فیزیکی با مشکل مواجه شوند.
محققان Caltech همچنین خاطرنشان میکنند که برخی از حالتهای کلاسیک و کوانتومی دارای فازهای کاملاً تعریفشدهای از ماده هستند، اما هیچ آزمایش کوانتومی کارآمدی نمیتواند آنها را شناسایی کند و محدودیتهای ذاتی در تشخیص فازهای کوانتومی پیچیده خاص را آشکار میکند.
امسال، شوستر و تیمش تصادفی بودن در محاسبات کوانتومی را بررسی کردند و محدودیتهای اساسی را کشف کردند. آنها دریافتند که اندازهگیری ویژگیهای فیزیکی کلیدی – مانند زمان تکامل، فازهای ماده و ساختار سببی – با استفاده از آزمایشهای کوانتومی استاندارد احتمالاً بسیار دشوار است و سوالات عمیقی را در مورد نحوه مشاهده و درک جهان فیزیکی مطرح میکند.
این مطالعه نشان میدهد که درک کامل برخی از ویژگیهای جهان ممکن است دشوار یا حتی غیرممکن باشد، که محدودیتهای اساسی در توانایی ما برای بررسی و اندازهگیری طبیعت را برجسته میکند. علاوه بر این، گامهای بعدی میتواند بر شناسایی اینکه کدام ویژگیهای فیزیکی، تشخیص فاز را در عمل، علیرغم دشواری نظری، آسانتر میکنند، یا بررسی راههایی برای عملیتر کردن شناسایی فاز برای سیستمهای کوانتومی دنیای واقعی، متمرکز شود.
