11 月 1 日消息，量子計算通常被視為破解復雜問題的關鍵，但加州理工學院（Caltech）研究人員發現，即便是最先進的量子計算機也存在無法求解（或者說需要“無限時間”才能解出）的問題 —— 識別未知量子態的物質相 / 相態（phase of matter）。相關研究成果已發表于預印本平臺 arXiv。

研究背景：量子態中的“物質相”

在日常世界中，區分液體與氣體相相對簡單；但在量子層面，情況卻要復雜得多。量子物質相通常出現在絕對零度下，其性質由量子力學規律主導，并受到量子漲落驅動。這些物質相可根據其特征進行分類，例如拓撲相、非平衡相等。研究團隊在論文中指出：

量子力學揭示了全新的物質相，包括拓撲序和受對稱性保護的拓撲相。能夠識別和表征這些多樣的物質相，是物理學與信息科學中的基礎課題，對量子技術的發展至關重要。

研究發現：量子計算機也“解不了”

研究顯示，一些量子相（例如拓撲序）在計算上極難識別。研究團隊通過分析發現，隨著量子系統關聯長度 ξ 增加，計算識別所需的時間會呈指數級增長；當 ξ = ω(log n) 時，計算時間會超過多項式復雜度，變得幾乎不可解。

為檢驗量子計算機能否完成這一任務，團隊設計了一個數學模型：量子計算機接收到某個量子態的信息后需識別其相態。

結果顯示，對于廣泛類別的相態（包括對稱性破缺相與受對稱性保護的拓撲相），該任務在量子計算層面上依然極難完成。這種困難甚至延伸到經典相、純態與混合態的識別中。研究團隊表示：

從概念層面來看，我們的結果應被視為一種“最壞情況”陳述：存在一些經典與量子態，其物質相定義明確，但在任何高效的量子實驗中都無法被識別。

深層含義：認識的極限

這項研究延續了 Thomas Schuster 團隊此前關于隨機性與量子計算的研究。該團隊早前曾指出：

我們的結果顯示，一些基本物理屬性 —— 如演化時間、物質相態和因果結構 —— 可能難以通過常規量子實驗獲取。這引發了關于“物理觀測本質”的深層問題。

這項最新研究進一步暗示，宇宙中某些性質可能存在根本限制，使人類永遠無法徹底理解。不過，科研團隊也表示，未來的工作可能會探討哪些物理屬性能在實踐中使相態識別變得容易，或研究在恒定局域哈密頓量的基態下，相態識別是否可行。