科学家发现量子计算机也有无解题：识别物质相态极难，宇宙某些特性或永远无法彻底理解

11 月 1 日消息，量子计算通常被视为破解复杂问题的关键，但加州理工学院（Caltech）研究人员发现，即便是最先进的量子计算机也存在无法求解（或者说需要“无限时间”才能解出）的问题 —— 识别未知量子态的物质相 / 相态（phase of matter）。相关研究成果已发表于预印本平台 arXiv。

研究背景：量子态中的“物质相”

在日常世界中，区分液体与气体相相对简单；但在量子层面，情况却要复杂得多。量子物质相通常出现在绝对零度下，其性质由量子力学规律主导，并受到量子涨落驱动。这些物质相可根据其特征进行分类，例如拓扑相、非平衡相等。研究团队在论文中指出：

量子力学揭示了全新的物质相，包括拓扑序和受对称性保护的拓扑相。能够识别和表征这些多样的物质相，是物理学与信息科学中的基础课题，对量子技术的发展至关重要。

研究发现：量子计算机也“解不了”

研究显示，一些量子相（例如拓扑序）在计算上极难识别。研究团队通过分析发现，随着量子系统关联长度 ξ 增加，计算识别所需的时间会呈指数级增长；当 ξ = ω(log n) 时，计算时间会超过多项式复杂度，变得几乎不可解。

为检验量子计算机能否完成这一任务，团队设计了一个数学模型：量子计算机接收到某个量子态的信息后需识别其相态。

结果显示，对于广泛类别的相态（包括对称性破缺相与受对称性保护的拓扑相），该任务在量子计算层面上依然极难完成。这种困难甚至延伸到经典相、纯态与混合态的识别中。研究团队表示：

从概念层面来看，我们的结果应被视为一种“最坏情况”陈述：存在一些经典与量子态，其物质相定义明确，但在任何高效的量子实验中都无法被识别。

深层含义：认识的极限

这项研究延续了 Thomas Schuster 团队此前关于随机性与量子计算的研究。该团队早前曾指出：

我们的结果显示，一些基本物理属性 —— 如演化时间、物质相态和因果结构 —— 可能难以通过常规量子实验获取。这引发了关于“物理观测本质”的深层问题。

这项最新研究进一步暗示，宇宙中某些性质可能存在根本限制，使人类永远无法彻底理解。不过，科研团队也表示，未来的工作可能会探讨哪些物理属性能在实践中使相态识别变得容易，或研究在恒定局域哈密顿量的基态下，相态识别是否可行。