Kako funkcioniše Googleov algoritam Quantum Echoes

Informatec Digital » Resursi » Kako funkcioniše Googleov algoritam Quantum Echoes

La Kvantno računarstvo više nije samo teorija da se počne uključivati ​​u razgovore o medicini, naprednim materijalima ili kibernetičkoj sigurnosti. Google godinama pokušava to dokazati njihovi kvantni računari Ovo nisu samo prototipovi koji privlače pažnju, već alati sa primjenom u stvarnom svijetu. Kompanija tvrdi da je algoritmom Quantum Echoes i njegovim Willow čipom postigla jednu od onih prekretnica koje bi mogle promijeniti tempo ove tehnološke utrke.

Ovaj novi algoritam, korelator izvan redoslijeda Dizajniran da proučava kako se kvantne informacije šire u složenim sistemima, nije samo nevjerovatno brz: prema objavljenim podacima, radi oko 13.000 puta brže od najboljih klasičnih superračunara za ekvivalentan zadatak. Ali ono što je najzanimljivije je da je to provjerljiv algoritam, što znači da se njegovi rezultati mogu ponoviti i provjeriti na drugim sličnim kvantnim uređajima - ključni faktor ako želimo da ova tehnologija prevaziđe laboratoriju.

Šta je tačno Kvantni odjeci i zašto svi pričaju o tome?

Kvantni odjeci su Kvantni algoritam tipa OTOC (Korelator vanvremenskog reda). Njegova glavna funkcija je mjerenje kako se stanje kubita mijenja nakon što se kvantni sistem podvrgne nizu operacija, a zatim "premota" njegovu evoluciju. U praksi, djeluje kao termometar kvantnog haosa: analizira kako se informacije raspršuju unutar skupa kubita mjerenjem veličina kao što su magnetizacija, gustina, struje i brzina.

Ono što Google predlaže jeste da se ovaj algoritam koristi kao vrsta pažljivo dizajniran kvantni odjekPrvo, Willow čip prima kompleksni kvantni signal koji uzrokuje evoluciju sistema. Zatim se u određeni kubit uvodi mala perturbacija, a potom se izvršava obrnuti niz operacija kako bi se pokušao poništiti proces. Na kraju cijelog ovog procesa, sistem vraća kvantni "eho" početnog stanja, koji se, zahvaljujući konstruktivnoj interferenciji, pojačava i otkriva vrlo precizne informacije o tome šta se dogodilo usput.

Sa teorijskog stanovišta, ove vrste korelatora van redoslijeda se koriste za proučavanje kako se informacije miješaju i šire u izuzetno složenim sistemimakao što su modeli koji opisuju crne rupe ili egzotične kvantne materijale. Novost ovdje je da su, po prvi put, prebačeni iz teorije u laboratoriju eksperimentom koji se može ponoviti i provjeriti, a koji također ukazuje na vrlo specifične fizičke primjene.

Google je ove rezultate predstavio u dva komplementarna rada: jednom objavljenom u prirodaJedan rad se fokusira na demonstraciju algoritma i njegove provjerljive kvantne prednosti, dok je drugi, objavljen na arXiv repozitoriju, više orijentisan na potencijalne primjene u hemiji i spektroskopiji. Među potpisnicima članka u Natureu je Michel Devoret, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku za 2025. godinu i ključna figura u razvoju supravodljivih kubita.

Prema riječima inženjera kompanije, Kvantni odjeci rade 13.000 puta brže na Willow čipu koji je najbolji ekvivalentni klasični algoritam izvršava se na najmoćnijim superračunarima na svijetu. U praktičnom smislu, ono što bi klasičnoj mašini trebalo hiljade ili trilione godina da riješi, Willow postiže za nekoliko minuta, prelazeći prag onoga što se smatra punopravnom kvantnom prednošću.

Osnove kvantnog računarstva za razumijevanje algoritma

Da biste dobili jasnu predstavu o tome kako funkcioniraju kvantni odjeci, vrijedi zapamtiti da Kvantni računar ne radi s klasičnim bitovima.ali s kubitima. Dok bit može biti samo 0 ili 1, kubit može biti u superpoziciji oba stanja istovremeno. To omogućava skupu kubita da istovremeno predstavlja ogroman broj kombinacija nula i jedinica.

Kubiti se implementiraju manipulisanjem fizičkim sistemima kao što su fotoni, elektroni, zarobljeni ioni, atomi ili supravodljivi krugoviGoogle, kao i druge kompanije, ulaže u supravodljive kubite, direktne potomke eksperimenata u makroskopskim kvantnim kolima koje su pokrenuli Devoret i drugi istraživači 1980-ih. Ovi kubiti se mogu ispreplesti, odnosno dijeliti zajedničko kvantno stanje i formirati kolektivne strukture gdje se vjerovatnoće kombinuju poput talasa.

U ovom kontekstu, kvantni algoritam nije ništa više od niz logičkih vrata koji se primjenjuju na mreža preklapajućih i isprepletenih kubitaKako se kolo razvija, amplitude vjerovatnoće se međusobno pojačavaju ili poništavaju putem interferencije. Trik je u dizajniranju algoritma tako da se, na kraju, tačna rješenja pojačaju i postanu najvjerovatnija prilikom mjerenja sistema.

Konstruktivna interferencija, jedan od ključeva kvantnih odjeka, javlja se kada kvantni valovi se poravnavaju u fazi i oni se sabiraju umjesto da se međusobno poništavaju. Ako je kolo dobro dizajnirano, ovaj efekat čini da se konačni "odjek" algoritma jasno ističe iz pozadinske buke i omogućava vrlo osjetljivo očitavanje načina na koji se informacija širila u sistemu, čak i ako je međuproces bio vrlo haotičan.

Sve ovo zvuči veoma moćno, ali dolazi i sa ozbiljnim problemom: krhkost kvantnih sistema u suočavanju sa šumomMinimalne varijacije temperature, vibracija, elektromagnetnog zračenja ili vanjskih smetnji mogu unijeti greške u kubite, poremetiti koherenciju sistema i uništiti proračun. Stoga su kvantna kontrola grešaka i smanjenje dekoherencije dva glavna izazova industrije.

Kako Quantum Echoes funkcioniše korak po korak na Willow čipu

Vrba je posljednja Googleov superprovodljivi kvantni čipI to je hardver na kojem radi Quantum Echoes. Ovaj procesor je već privukao pažnju završavajući testove uzorkovanja nasumičnih kola za manje od pet minuta - zadatke koje konvencionalni superračunar ne bi mogao obaviti ni za desetine septiliona godina. Sa Quantum Echoes, Willow ponovo zauzima centralno mjesto.

Osnovna shema algoritma može se shvatiti kao kvantno iskustvo "premotavanja vremena", iako Ništa se ne šalje u prošlostProces uključuje primjenu niza operacija na sistem, uvođenje male perturbacije u određeni kubit, a zatim izvršavanje istog niza u obrnutom smjeru s izuzetnom preciznošću. Ako je sve pravilno podešeno, sistem se vraća blizu svog prvobitnog stanja i oslobađa interferometrijski odjek koji sadrži mnoštvo informacija.

Na vrlo pojednostavljen način, postupak slijedi tri glavne faze: prva, a dobro kontrolisano početno stanje u skupu kubitaZatim se tom stanju dozvoljava da se razvija kroz niz kvantnih kapija koje ga čine vrlo složenim i haotičnim; konačno, izvršava se vremenska inverzija kola, kubit se mijenja usred procesa i posmatra se kako ta perturbacija utiče na konačni odjek.

Ljepota ovog podešavanja je u tome što odjek izmjeren na kraju nije slab odraz, već signal pojačan od strane konstruktivna interferencijaUpravo iz tog razloga, tehnika je izuzetno osjetljiva na male promjene u unutrašnjoj dinamici sistema. Google je iskoristio ovu osjetljivost kako bi eksponencijalno smanjio efektivnu stopu grešaka čipa, postižući rezultate ispod praga na kojem ispravljanje grešaka velikih razmjera postaje održivo.

U nekim od opisanih eksperimenata, kvantna mašina je uspjela riješiti problem za nešto više od dva sata, dok bi superračunaru Frontier - jednom od najmoćnijih na svijetu - bilo potrebno... oko 3,2 godine neprekidnog rada na računaru za izvršavanje ekvivalentnog klasičnog koda. Ovaj ogromni jaz u performansama, zajedno s činjenicom da se rezultat može ponoviti na Willowu ili drugim uređajima sličnog kvaliteta, osnova je takozvane „provjerljive kvantne prednosti“.

Nadalje, protokol koji koristi Google To ne ostaje jednostavna vježba kvantne nadmoći bez primjene.Za razliku od prethodnih eksperimenata, koji su se fokusirali na vještačke matematičke probleme koje je teško prevesti u stvarni svijet, ovdje se algoritam koristi za simuliranje vrlo specifičnih fizičkih procesa: struktura i dinamika stvarnih molekula proučavane su i nuklearnom magnetskom rezonancijom.

Provjerljiva kvantna prednost: zašto je ovaj proboj drugačiji

Do sada su mnoge najave „kvantne supremacije“ bile kritikovane jer Nije bilo jasno kako nezavisno provjeriti rezultate niti kakvu praktičnu upotrebu su imali riješeni problemi. Googleova prekretnica iz 2019. godine, na primjer, sastojala se od izvođenja proračuna na slučajnom uzorkovanju kola koji nijedan superračunar nije mogao replicirati u razumnom vremenu, ali koji također nije imao upotrebu izvan laboratorije.

Sa Quantum Echoes, kompanija pokušava riješiti tu debatu eksperimentom koji je od samog početka osmišljen da bude provjerljivo i ponovite trik svakome ko to želiAlgoritam je implementiran s parametrima i konfiguracijama koje druge istraživačke grupe, sa sličnim kvantnim hardverom, mogu pokušati replicirati. Nadalje, rezultati kvantne simulacije upoređeni su s klasičnim fizičkim mjerenjima dobivenim korištenjem dobro utvrđenih tehnika.

„Kvantna provjerljivost“ koju tvrdi Google počiva na dva stuba: prvo, činjenici da se proračuni mogu reproducirati na drugim sličnim kvantnim mašinama; drugo, mogućnosti uporedite izlaz algoritma sa eksperimentalnim podacima nuklearna magnetna rezonanca ili klasične simulacije u slučajevima gdje su još uvijek izvodljive. Ova dvostruka validacija daje težinu tvrdnji da se ne radi samo o matematičkom triku koji je teško provjeriti.

Da bi ova vrsta demonstracije bila moguća, hardver mora da kombinuje brze operacije s izuzetno niskom stopom grešakaSvako odstupanje u sekvenci obrnutog vremena uništava konačni odjek. Činjenica da je Willow uspjela savladati ovaj izazov bez kolapsa implicira da je kontrola nad supravodljivim kubitima dostigla izuzetan nivo, daleko zreliji nego prije samo nekoliko godina.

Uprkos tome, nekoliko stručnjaka poziva na oprez. Istraživači poput Carlosa Sabína, sa Odsjeka za teorijsku fiziku Autonomnog univerziteta u Madridu, ističu da Druge kvantne prednosti su već najavljene, a naknadno su i kvalifikovane. Dok su druge grupe usavršile klasične algoritme ili pronašle načine za aproksimaciju rezultata korištenjem konvencionalnih računara, naučna zajednica sada provjerava u kojoj mjeri Googleov eksperiment označava čvrstu granicu.

Primjena u hemiji: molekule, NMR i san o "kvantoskopu"

Jedan od najupečatljivijih aspekata Kvantne Ehoe tehnike je njena upotreba kao alata za hemijska simulacija i kvantna spektroskopijaU saradnji sa Univerzitetom Kalifornije u Berkeleyu, Google je pokrenuo algoritam na Willowu kako bi proučio dva molekula: jedan sa 15 atoma i drugi sa 28, koristeći eksperimentalne podatke nuklearne magnetne rezonancije (NMR) kao tačku poređenja.

Magnetna rezonanca, spektroskopski rođak medicinske magnetne rezonancije, djeluje kao Molekularni mikroskop zasnovan na magnetskim "spinovima" atomskih jezgara. Detekcijom kako ovi spinovi reaguju na magnetna polja i radiofrekventne signale, naučnici mogu zaključiti relativni položaj atoma i, posljedično, strukturu molekula. To je fundamentalni alat u hemiji, biologiji i nauci o materijalima.

Problem je u tome što, kada molekule postanu velike ili interakcije između spinova postanu složenije, Klasične metode za interpretaciju NMR podataka postaju izuzetno skupe Sa računarske tačke gledišta, tu nastupa Quantum Echoes: njegova sposobnost praćenja unutrašnje kvantne dinamike haotičnog sistema omogućava mu efikasnije modeliranje interakcija između spinova na velikim udaljenostima.

U dokazu koncepta provedenom s Berkeleyjem, rezultati dobiveni kvantnim algoritmom Poklopila su se s tradicionalnim MRI mjerenjima. za oba molekula, što je predstavljalo prvu snažnu validaciju pristupa. Ali pored toga, kvantna analiza je otkrila daljnje detalje o dinamici spina koji se normalno ne mogu dobiti klasičnim tehnikama, što ukazuje na veću osjetljivost.

Istraživači poput Ashoka Ajoya, saradnika u Google Quantum AI i profesora na Berkeleyu, već govore o budućnosti... „Kvantna spektroskopija“ sposobna da prevaziđe trenutne graniceU ovom scenariju, kombinacija eksperimentalnog NMR-a s kvantnim algoritmima poput Quantum Echoes mogla bi postati vrhunski alat za otkrivanje novih lijekova, bolje razumijevanje složenih bolesti poput Alzheimerove bolesti ili dizajniranje naprednih materijala za baterije, polimere, pa čak i same supravodljive kubite.

Potencijalni utjecaj na medicinu, nauku o materijalima i druge industrije

Ako se Googleova obećanja ostvare, Quantum Echoes bi mogao biti prvi ozbiljan korak ka... kvantni računari sa opipljivim primjenama u stvarnom svijetuSposobnost preciznog modeliranja kvantnih sistema s više tijela ima direktne implikacije u oblastima kao što je računarska hemija, gdje je simuliranje složenih elektronskih interakcija gotovo onemogućavajući problem za klasično računarstvo.

U biomedicinskoj oblasti, ovo se prevodi u mogućnost mnogo efikasnije istražiti prostor molekula kandidata za lijekoveUmjesto slijepog testiranja hiljada spojeva, kvantni računar bi mogao pomoći u predviđanju koje strukture najbolje odgovaraju određenoj biološkoj meti, ubrzavajući razvoj tretmana za neurodegenerativne bolesti, rak ili druge složene bolesti.

U nauci o materijalima, ista logika se primjenjuje i na dizajnirati nove spojeve sa specifičnim svojstvimaStabilniji superprovodnici, materijali za baterije s većom gustoćom energije, napredni polimeri ili lakše i jače legure. Kontrola nad kvantnom dinamikom na mikroskopskom nivou čini razliku između testiranja slučajnih kombinacija i finog podešavanja rezultata pouzdanom simulacijom.

Svemu ovome se dodaje i potencijalni utjecaj na područja poput kibernetičke sigurnosti. Iako sam Kvantni odjeci nisu usmjereni na probijanje enkripcije, oni su dio isti talas napretka koji kvantne mašine približava korisnostiSigurnosna zajednica već govori o strategiji "prikupi sada, dešifriraj kasnije": krađa podataka danas radi njihovog dešifriranja kada postoje kvantni računari koji su sposobni probiti trenutne kriptografske algoritme, što je navelo organizacije poput Evropske unije i ENISA-e da planiraju prelazak na postkvantne sisteme.

Na geopolitičkom nivou, Googleov potez se uklapa u Žestoka konkurencija s gigantima poput IBM-a, Microsofta i nekoliko kineskih igračaPlatforme poput Wukonga u Kini ili IBM-ovog razvoja superprovodljivih kubita i dugovječnih logičkih kubita pokazuju da niko ne želi zaostati. Provjerljiva kvantna prednost koju Google tvrdi je, pored naučnog napretka, strateška poruka o njegovoj poziciji u ovoj utrci.

Trenutna ograničenja i skepticizam unutar naučne zajednice

Nije sve vatromet. Iako eksperiment Kvantni odjeci predstavlja skok naprijed u odnosu na prethodne prekretnice, nekoliko stručnjaka naglašava da Očigledno smo još uvijek u eksperimentalnoj fazi.Za sada su demonstracije provedene s relativno malim molekulama i kvantnim krugovima koji su, iako impresivni, još uvijek daleko od onoga što bi bilo potrebno za rješavanje velikih industrijskih problema.

Prema procjenama koje je prikupio sam Google, da bi se došlo do molekula kojima je potrebno reda veličine 50 fizičkih kubita relevantne složenostiOvo bi zahtijevalo pokretanje između stotina hiljada i nekoliko miliona kvantnih logičkih kola. Taj broj je daleko iznad 792 kola koja se koriste u trenutnim eksperimentima, a tehnike ublažavanja grešaka koje funkcionišu u ovom režimu možda se neće dobro skalirati na mnogo dublja kola.

Jedna od ponavljajućih kritika je da, iako demonstracija pokazuje stvarnu kvantnu prednost, Praktična upotreba s visokim utjecajem još nije dokazanaDrugim riječima, algoritam je poslužio za validaciju metoda i proučavanje sistema koji se mogu rješavati poboljšanim klasičnim tehnikama, ali još uvijek nije riješio problem koji je bio potpuno nedostižan za klasično računarstvo u specifičnom industrijskom ili medicinskom kontekstu.

Nadalje, pitanje ispravljanja grešaka ostaje prepreka. Rad velikih kvantnih računara zahtijeva Robusni logički kubiti izgrađeni od mnogih fizičkih kubitatako da se pojedinačne greške mogu otkriti i ispraviti bez gubitka informacija. Google je ovaj cilj identificirao kao treću prekretnicu svog kvantnog plana: postizanje dugovječnog logičkog kubita koji može izdržati zahtjeve pokretanja složenih algoritama bez rušenja sistema.

Uprkos ovim rezervama, čak i najoprezniji glasovi priznaju da Kvantni odjeci mogu biti važan preliminarni korak u smjeru demonstracije praktične korisnosti. Ključno će biti vidjeti mogu li druge laboratorije reproducirati eksperiment, poboljšati konkurentske klasične algoritme i, prije svega, skalirati ove tehnike na sisteme s više kubita i više gejtova bez naglog porasta grešaka.

Gledajući širu sliku, Kvantni odjeci se oblikuju u... jasan znak da kvantni hardver i softver napreduju paralelnoWillow pokazuje da je moguće raditi sa stopama grešaka dovoljno niskim da omoguće delikatne protokole za obrnuto kretanje vremena, dok algoritam otvara vrata aplikacijama koje se direktno bave fizičkim problemima iz stvarnog svijeta. Pred nama je još dug put, ali prvi odjeci primijenjenog kvantnog računarstva počinju se glasno čuti.

Vezani članak:

Google AI Overviews stiže u Španiju: šta je to i kako mijenja pretragu