Quantenbits oder Qubits nutzen besondere physikalische Phänomene wie Superposition und Verschränkung, um viele Möglichkeiten gleichzeitig zu verarbeiten. Diese Fähigkeit ermöglicht es ihnen, für bestimmte Anwendungen exponentiell schneller zu rechnen als klassische Computer.
Konzeptuelle Darstellung von drei miteinander verbundenen Quantencomputern.
Allerdings haben Thomas Schuster vom California Institute of Technology und sein Team ein spezifisches Problem identifiziert, das selbst Quantencomputer nur schwer in angemessener Zeit lösen können.
Das Problem im Detail
In der Quantenwelt kann Materie in verschiedenen Zuständen existieren, die Phasen genannt werden und die sich bei extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt manifestieren. Diese Phasen werden durch die Gesetze der Quantenmechanik bestimmt und zeigen überraschende Eigenschaften, wie topologische Phasen, bei denen sich die Materie nach bestimmten geometrischen Mustern organisiert.
Die Forscher erklären, dass die Quantenmechanik völlig neue Materiephasen offenbart hat, deren Identifikation und Charakterisierung von grundlegendem Interesse für die Physik und die Informationswissenschaften sind.
Die Studie zeigt, dass die für die Erkennung dieser Phasen benötigte Rechenzeit exponentiell mit der Reichweite der Korrelationen zunimmt, einem Maß, das beschreibt, über welche Entfernung die Eigenschaften eines Quantensystems miteinander verbunden bleiben. Ein Problem, das scheinbar dafür geschaffen wurde, von einem Quantencomputer gelöst zu werden.
Doch wenn diese Reichweite bestimmte Werte überschreitet, wird die Rechenzeit so enorm, dass die Aufgabe praktisch unlösbar wird, selbst für die leistungsstärksten Quantencomputer. Diese Schwierigkeit gilt für eine breite Klasse von Quantenphasen.
Diese Ergebnisse zeigen, dass bestimmte fundamentale Eigenschaften des Universums intrinsische Grenzen im Bereich des Berechenbaren besitzen könnten.
Die Forscher betonen, dass ihre Arbeit als eine Worst-Case-Studie zu betrachten ist: Es gibt Quantenzustände, deren Phase perfekt definiert ist, aber durch experimentelle Mittel, sowohl konventionelle als auch quantenmechanische, nicht effizient erkannt werden kann. Diese Entdeckung eröffnet neue Perspektiven auf die Natur der physikalischen Beobachtung selbst und ihre potenziellen Grenzen.