Το Caltech αποδεικνύει ότι υπάρχουν όρια ακόμα και στην κβαντική πληροφορική

Για δεκαετίες, η κβαντική πληροφορική έχει παρουσιαστεί ως η επόμενη μεγάλη επανάσταση μετά το πυρίτιο. Η υπόσχεση ήταν ότι τα qubits, ικανά να υπάρχουν ταυτόχρονα σε πολλαπλές καταστάσεις, θα επέτρεπαν στους επιστήμονες να επιλύουν προβλήματα που για τα συμβατικά μηχανήματα μοιάζουν αδιανόητα. Όμως, μια νέα μελέτη από το California Institute of Technology (Caltech) βάζει φρένο στον ενθουσιασμό και υπενθυμίζει πως ακόμα και η πιο προχωρημένη τεχνολογία δεν μπορεί να παρακάμψει τους θεμελιώδεις νόμους της Φυσικής.

Η ερευνητική ομάδα υπό τον Thomas Schuster εντόπισε μια κατηγορία προβλημάτων που κανένας κβαντικός αλγόριθμος δεν μπορεί να λύσει αποτελεσματικά. Η μελέτη εστιάζει στη δυσκολία προσδιορισμού των κβαντικών φάσεων της ύλης όταν το σύστημα βρίσκεται σε άγνωστη κβαντική κατάσταση. Με απλά λόγια, ακόμη και οι πιο εξελιγμένοι κβαντικοί υπολογιστές δεν μπορούν να αναγνωρίσουν ορισμένες θεμελιώδεις ιδιότητες του ίδιου τους του κόσμου.

Για να κατανοήσει κανείς τη σημασία της ανακάλυψης, πρέπει πρώτα να αντιληφθεί ότι οι φάσεις της ύλης (όπως στερεό, υγρό ή αέριο) αποκτούν εντελώς διαφορετική σημασία σε κβαντικό επίπεδο. Σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, κοντά στο απόλυτο μηδέν, εμφανίζονται νέες, εξωτικές καταστάσεις ύλης, καθοριζόμενες από φαινόμενα όπως οι κβαντικές διακυμάνσεις και οι συσχετίσεις. Οι λεγόμενες τοπολογικές φάσεις ή οι συμμετρικά προστατευμένες φάσεις είναι σήμερα στο επίκεντρο της έρευνας, επειδή υπόσχονται να αποτελέσουν τη βάση για πιο σταθερούς και ισχυρούς κβαντικούς υπολογιστές.

Το πρόβλημα, όπως εξηγεί ο Schuster, είναι ότι ο εντοπισμός αυτών των φάσεων δεν είναι πάντα εφικτός. Η δυσκολία εξαρτάται από το πόσο οι ιδιότητες ενός κβαντικού συστήματος παραμένουν αλληλοσυνδεδεμένες στον χώρο. Όταν αυτή η παράμετρος αυξάνεται ταχύτερα από τον λογάριθμο του μεγέθους του συστήματος, ο απαιτούμενος χρόνος υπολογισμού αυξάνεται με υπερπολυωνυμικό ρυθμό, ταχύτερα δηλαδή από οποιαδήποτε δύναμη του αριθμού των σωματιδίων. Σε πρακτικό επίπεδο, αυτό σημαίνει ότι η πολυπλοκότητα του προβλήματος εκτοξεύεται και το καθιστά αδύνατο να λυθεί σε εύλογο χρόνο, ακόμη και με κβαντικούς υπολογιστές.

Η ανακάλυψη του Caltech έρχεται να υπογραμμίσει ένα ουσιώδες γεγονός: η κβαντική υπεροχή έχει όρια. Ναι, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να επεξεργάζονται τεράστιες ποσότητες πληροφορίας και να προσομοιώνουν φυσικά φαινόμενα που για τα συμβατικά μηχανήματα είναι απροσπέλαστα. Όμως δεν μπορούν να παραβούν τους ίδιους τους φυσικούς νόμους που τους διέπουν. Υπάρχουν προβλήματα των οποίων η φύση (όχι το υλικό ή το λογισμικό) επιβάλλει ένα απόλυτο όριο στην υπολογιστική δυνατότητα.

Αυτό σημαίνει ότι ορισμένες καταστάσεις της ύλης, αν και μπορούν να περιγραφούν θεωρητικά, παραμένουν πειραματικά «αόρατες». Δεν μπορούν να αναγνωριστούν ούτε με τις πιο εξελιγμένες κλασικές μεθόδους, ούτε με τα πιο φιλόδοξα κβαντικά πρωτόκολλα.

Αν και η διαπίστωση αυτή μοιάζει απογοητευτική, έχει και μια πιο θετική όψη. Η αναγνώριση αυτών των θεμελιωδών ορίων προσφέρει στους φυσικούς ένα σαφέστερο χάρτη του τι είναι και τι δεν είναι δυνατό να υπολογιστεί. Όπως οι θεωρίες της σχετικότητας και της θερμοδυναμικής έθεσαν κάποτε τα όρια για την κλασική φυσική, έτσι και αυτή η νέα κατανόηση των ορίων της κβαντικής πληροφορίας ίσως οδηγήσει σε πιο ρεαλιστικά και τελικά πιο χρήσιμα μοντέλα.

[source]