美研究团队发现量子计算机也无法破解的"超多项式"难题

新理论揭示特定复杂量子相问题在高效求解上的内在局限。

量子计算机常被视为终极问题解决工具，能够攻克经典计算机需耗时数千年才能完成的计算任务。通过利用量子比特（qubit）的叠加态和纠缠特性，它们能同时处理海量可能性，并以惊人速度输出结果。

然而，即便是如此强大的机器也存在局限。近日，加州理工学院研究员托马斯·舒斯特及其团队发现了一类量子计算机无法高效破解的难题：从未知量子态中判定物质的相。

这项发表于预印本服务器arXiv的研究表明，某些量子挑战依然无法被量子计算攻克。

绝对零度下的量子态复杂世界

虽然在日常生活中区分液体与气体轻而易举，但量子世界却提出了远为艰巨的挑战。物质的量子相出现在绝对零度环境下，其行为完全由量子力学及其内在涨落支配。这些量子相包含多种形式，如拓扑相和非平衡相，各自具有独特性质。

研究作者强调，量子力学已揭示了全新的物质状态，包括拓扑序和对称性保护的拓扑相。据物理新闻网报道，识别并理解这些相态对于基础物理学和下一代量子技术的发展至关重要。

某些量子相（如拓扑序） notoriously 难以被计算机识别。随着关联长度（衡量量子系统内部属性相互影响范围的标准）的增加，挑战会进一步加剧。研究表明，当这一范围（记为ξ）扩大时，所需计算时间呈指数级增长。若ξ的增长速度超过系统大小的对数，所需时间将变为超多项式级，导致问题在合理时间内基本无解。这凸显了即便最先进的量子计算机在处理复杂量子相时也存在局限。

量子计算机或难以揭示物理现实的关键层面

加州理工学院研究团队还指出，某些经典与量子态虽具有明确定义的物相，但现有量子实验仍无法高效识别它们，这揭示了认知特定复杂量子相的内在局限。

今年，舒斯特团队通过研究量子计算中的随机性，发现了更深层的根本性限制。他们发现关键物理属性（如演化时间、物相和因果结构）很可能难以通过标准量子实验进行测量，这引发了我们应如何观测和理解物理世界的深层思考。

这项研究暗示宇宙的某些特性或许难以（甚至不可能）被完全认知，凸显了人类探索和测量自然能力的根本局限。下一步研究可聚焦于：尽管存在理论困难，但实践中哪些物理属性能使相识别更易实现？或探索如何使相识别技术更适用于现实世界的量子系统。

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