Jak funguje algoritmus Quantum Echoes od Googlu

Informatec Digital » Zdroje » Jak funguje algoritmus Quantum Echoes od Googlu

La Kvantové výpočty už nejsou jen teorie začít se zapojovat do diskusí o medicíně, pokročilých materiálech nebo kybernetické bezpečnosti. Google se to už léta snaží dokázat jejich kvantové počítače Nejde jen o poutavé prototypy, ale o nástroje s reálnými aplikacemi. Společnost tvrdí, že s algoritmem Quantum Echoes a jeho čipem Willow dosáhla jednoho z milníků, které by mohly změnit tempo tohoto technologického závodu.

Tento nový algoritmus, tj. korelátor mimo pořadí Tento algoritmus, navržený ke studiu šíření kvantové informace v komplexních systémech, není jen neuvěřitelně rychlý: podle publikovaných údajů pracuje pro ekvivalentní úkol asi 13 000krát rychleji než nejlepší klasické superpočítače. Nejzajímavější ale je, že se jedná o ověřitelný algoritmus, což znamená, že jeho výsledky lze opakovat a kontrolovat na jiných podobných kvantových zařízeních – klíčový faktor, pokud chceme, aby se tato technologie dostala za hranice laboratoří.

Co přesně jsou kvantové ozvěny a proč o nich všichni mluví?

Kvantové ozvěny jsou Kvantový algoritmus typu OTOC (Korelátor mimo časový řád). Jeho hlavní funkcí je měřit, jak se stav qubitu mění po podrobení kvantového systému sérii operací a následném „přetočení“ jeho vývoje. V praxi funguje jako teploměr kvantového chaosu: analyzuje, jak je informace rozptýlena v sadě qubitů, měřením veličin, jako je magnetizace, hustota, proudy a rychlost.

Google navrhuje použít tento algoritmus jako druh pečlivě navržená kvantová ozvěnaNejprve čip Willow přijme komplexní kvantový signál, který způsobí vývoj systému. Poté je do specifického qubitu zavedena malá perturbace a následně je provedena obrácená sekvence operací, aby se proces vrátil zpět. Na konci celého tohoto procesu systém vrátí kvantovou „ozvěnu“ počátečního stavu, která je díky konstruktivní interferenci zesílena a odhaluje vysoce přesné informace o tom, co se během procesu stalo.

Z teoretického hlediska se tyto typy korelátorů mimo pořadí používají ke studiu jak se informace mísí a šíří v extrémně složitých systémechjako jsou modely popisující černé díry nebo exotické kvantové materiály. Novinkou je, že poprvé byly přeneseny z teorie do laboratoře pomocí experimentu, který lze opakovat a ověřit a který zároveň ukazuje na velmi specifické fyzikální aplikace.

Google prezentoval tyto výsledky ve dvou vzájemně se doplňujících článcích: jeden publikovaný v PřírodaJeden článek se zaměřuje na demonstraci algoritmu a jeho ověřitelné kvantové výhody, zatímco jiný, zveřejněný v repozitáři arXiv, se více zaměřuje na potenciální aplikace v chemii a spektroskopii. Mezi signatáry článku v Nature je Michel Devoret, držitel Nobelovy ceny za fyziku za rok 2025 a klíčová postava ve vývoji supravodivých qubitů.

Podle inženýrů společnosti, Kvantové ozvěny fungují 13 000krát rychleji na čipu Willow, který je nejlepší ekvivalentní klasický algoritmus prováděné na nejvýkonnějších superpočítačích světa. V praxi to, co by klasickému stroji trvalo tisíce nebo biliony let vyřešit, Willow zvládne během několika minut a překročí tak práh toho, co je považováno za plnohodnotnou kvantovou výhodu.

Základy kvantových výpočtů pro pochopení algoritmu

Abychom získali jasnou představu o tom, jak kvantové ozvěny fungují, je třeba si uvědomit, že Kvantový počítač nefunguje s klasickými bity.ale s qubity. Zatímco bit může být pouze 0 nebo 1, qubit může být v superpozici obou stavů současně. To umožňuje sadě qubitů současně reprezentovat obrovské množství kombinací nul a jedniček.

Qubity jsou implementovány manipulací s fyzickými systémy, jako je např. fotony, elektrony, zachycené ionty, atomy nebo supravodivé obvodyGoogle, stejně jako další společnosti, investuje do supravodivých qubitů, přímých potomků experimentů s makroskopickými kvantovými obvody, které zahájil Devoret a další výzkumníci v 80. letech 20. století. Tyto qubity se mohou proplétat, tj. sdílet společný kvantový stav, a vytvářet kolektivní struktury, kde se pravděpodobnosti kombinují jako vlny.

V tomto kontextu není kvantový algoritmus nic víc než sekvence logických hradel které se aplikují na síť překrývajících se a propletených qubitůJak se obvod vyvíjí, amplitudy pravděpodobnosti se vzájemně zesilují nebo ruší interferencí. Trik spočívá v návrhu algoritmu tak, aby se nakonec správná řešení zesílila a stala se nejpravděpodobnějšími při měření systému.

Konstruktivní interference, jeden z klíčů ke kvantovým ozvěnám, nastává, když kvantové vlny se fázově srovnávají a sčítají se, místo aby se navzájem ruší. Pokud je obvod dobře navržen, tento efekt jasně odlišuje konečnou „ozvěnu“ algoritmu od šumu pozadí a umožňuje velmi citlivé čtení toho, jak se informace šířila v systému, i když byl mezilehlý proces velmi chaotický.

To všechno zní velmi silně, ale zároveň to s sebou nese vážný problém: křehkost kvantových systémů tváří v tvář šumuMinimální změny teploty, vibrací, elektromagnetického záření nebo vnějšího rušení mohou vnést chyby do qubitů, narušit koherenci systému a zhatit výpočet. Proto jsou kvantová kontrola chyb a redukce dekoherence dvěma hlavními výzvami v tomto odvětví.

Jak Quantum Echoes funguje krok za krokem na čipu Willow

Vrba je poslední Supravodivý kvantový čip od GoogluA je to hardware, na kterém běží Quantum Echoes. Tento procesor si již získal pozornost tím, že dokončil benchmarkové testy pro vzorkování náhodných obvodů za méně než pět minut – úkoly, které by konvenční superpočítač nezvládl ani za desítky septilionů let. S Quantum Echoes se Willow opět dostává do centra pozornosti.

Základní schéma algoritmu lze chápat jako kvantový zážitek „převíjení času“, ačkoli Nic se neposílá do minulostiProces zahrnuje aplikaci sekvence operací na systém, zavedení malé perturbace do specifického qubitu a následné provedení stejné sekvence v opačném pořadí s extrémní přesností. Pokud je vše správně naladěno, systém se vrátí téměř do původního stavu a uvolní interferometrickou ozvěnu obsahující množství informací.

Velmi zjednodušeně řečeno, postup se skládá ze tří hlavních fází: první, dobře kontrolovaný počáteční stav v sadě qubitůPoté se tomuto stavu umožní vývoj prostřednictvím sekvence kvantových bran, které ho činí vysoce komplexním a chaotickým; nakonec se provede obrácení času v obvodu, uprostřed procesu se změní qubit a pozoruje se, jak tato porucha ovlivňuje výslednou ozvěnu.

Krása tohoto nastavení spočívá v tom, že ozvěna naměřená na konci není slabý odraz, ale signál zesílený konstruktivní interferencePrávě z tohoto důvodu je tato technika extrémně citlivá na malé změny ve vnitřní dynamice systému. Google využil této citlivosti k exponenciálnímu snížení efektivní chybovosti čipu a dosáhl výsledků pod prahovou hodnotou, při které je možná korekce chyb ve velkém měřítku.

V některých popsaných experimentech byl kvantový stroj schopen vyřešit problém za něco málo přes dvě hodiny, zatímco superpočítač Frontier – jeden z nejvýkonnějších na světě – by k tomu potřeboval... přibližně 3,2 roku nepřetržitého používání počítače spustit ekvivalentní klasický kód. Tato obrovská výkonnostní mezera, spolu se skutečností, že výsledek lze opakovat na Willow nebo jiných zařízeních podobné kvality, je základem tzv. „ověřitelné kvantové výhody“.

Kromě toho protokol používaný společností Google Bez aplikace to nezůstává jednoduchým cvičením v kvantové nadřazenosti.Na rozdíl od předchozích experimentů, které se zaměřovaly na umělé matematické problémy, jež je obtížné převést do reálného světa, je zde algoritmus použit k simulaci velmi specifických fyzikálních procesů: struktura a dynamika reálných molekul byla studována také pomocí jaderné magnetické rezonance.

Ověřitelná kvantová výhoda: proč je tento průlom jiný

Až doposud se mnoho oznámení o „kvantové nadřazenosti“ setkalo s kritikou, protože Nebylo jasné, jak nezávisle ověřit výsledky ani jaké praktické využití měly vyřešené problémy. Milníkem společnosti Google v roce 2019 například bylo provedení výpočtu s náhodným vzorkováním obvodů, který žádný superpočítač nedokázal v rozumném čase replikovat, ale který zároveň neměl žádné využití mimo laboratoř.

S projektem Quantum Echoes se společnost pokouší tuto debatu vyřešit experimentem, který byl od začátku navržen tak, aby... ověřitelné a zopakovat trik každému, kdo to chceAlgoritmus byl implementován s parametry a konfiguracemi, které se mohou pokusit replikovat i jiné výzkumné skupiny s srovnatelným kvantovým hardwarem. Výsledky kvantové simulace jsou dále porovnány s klasickými fyzikálními měřeními získanými pomocí zavedených technik.

„Kvantová ověřitelnost“, kterou Google prohlašuje, spočívá na dvou pilířích: zaprvé na skutečnosti, že výpočty lze reprodukovat na jiných podobných kvantových strojích; zadruhé na možnosti porovnejte výstup algoritmu s experimentálními daty zobrazování nukleární magnetickou rezonancí nebo klasické simulace v případech, kdy jsou stále proveditelné. Toto dvojité ověření dodává váhu tvrzení, že se nejedná pouze o matematický trik, který je obtížné ověřit.

Aby byl tento typ demonstrace možný, musí hardware kombinovat vysokorychlostní operace s extrémně nízkou chybovostíJakákoli odchylka v sekvenci časového obratu ničí finální ozvěnu. Skutečnost, že Willow dokázala tuto výzvu překonat bez kolapsu, naznačuje, že kontrola nad supravodivými qubity dosáhla pozoruhodné úrovně, mnohem vyspělejší než před několika lety.

Přesto několik odborníků nabádá k opatrnosti. Výzkumníci jako Carlos Sabín z katedry teoretické fyziky na Autonomní univerzitě v Madridu poukazují na to, že Již byly oznámeny další kvantové výhody, které byly následně kvalifikovány. Zatímco jiné skupiny zdokonalily klasické algoritmy nebo našly způsoby, jak aproximovat výsledky pomocí konvenčních počítačů, vědecká komunita nyní ověřuje, do jaké míry experiment společnosti Google představuje pevnou hranici.

Aplikace v chemii: molekuly, NMR a sen o „kvantoskopu“

Jedním z nejpozoruhodnějších aspektů kvantových ozvěn je jejich použití jako nástroje pro chemická simulace a kvantová spektroskopieVe spolupráci s Kalifornskou univerzitou v Berkeley spustil Google algoritmus na jádru Willow ke studiu dvou molekul: jedné s 15 atomy a druhé s 28, přičemž jako srovnávací bod použil data z experimentální nukleární magnetické rezonance (NMR).

Magnetická rezonance (MRI), spektroskopický bratranec lékařské magnetické rezonance, funguje jako molekulární mikroskop založený na magnetických „spinech“ atomových jader. Detekcí toho, jak tyto spinové reakce reagují na magnetická pole a rádiofrekvenční signály, mohou vědci odvodit relativní polohu atomů a v důsledku toho i strukturu molekuly. Je to základní nástroj v chemii, biologii a materiálové vědě.

Problém je v tom, že když se molekuly zvětší nebo interakce mezi spiny stanou složitějšími, Klasické metody interpretace NMR dat se stávají extrémně drahými Z výpočetního hlediska. A právě zde přichází na řadu technologie Quantum Echoes: její schopnost sledovat vnitřní kvantovou dynamiku chaotického systému umožňuje efektivněji modelovat interakce mezi spiny na velké vzdálenosti.

V rámci ověření konceptu provedeného s Berkeley byly výsledky získané kvantovým algoritmem Shodovaly se s tradičními měřeními magnetickou rezonancí. pro obě molekuly, což představovalo první silné ověření tohoto přístupu. Kvantová analýza však navíc odhalila další detaily o dynamice spinu, které nelze normálně získat klasickými technikami, což poukazuje na větší citlivost.

Výzkumníci jako Ashok Ajoy, spolupracovník Google Quantum AI a profesor v Berkeley, již hovoří o budoucnosti... „Kvantová spektroskopie“ schopná překročit současné limityV tomto scénáři by se kombinace experimentální NMR s kvantovými algoritmy, jako jsou Quantum Echoes, mohla stát špičkovým nástrojem pro objevování nových léků, lepší pochopení komplexních onemocnění, jako je Alzheimerova choroba, nebo pro navrhování pokročilých materiálů pro baterie, polymery nebo dokonce samotné supravodivé qubity.

Potenciální dopad na medicínu, materiálovou vědu a další průmyslová odvětví

Pokud se sliby Googlu naplní, Quantum Echoes by mohl být prvním vážným krokem k... kvantové počítače s hmatatelnými aplikacemi v reálném světěSchopnost přesně modelovat kvantové systémy mnoha těles má přímé důsledky v oblastech, jako je výpočetní chemie, kde je simulace složitých elektronických interakcí pro klasické výpočty téměř neúnosným problémem.

V biomedicínské oblasti se to promítá do možnosti mnohem efektivněji prozkoumat prostor molekul kandidátních léčivMísto slepého testování tisíců sloučenin by kvantový počítač mohl pomoci předpovědět, které struktury nejlépe odpovídají specifickému biologickému cíli, a urychlit tak vývoj léčby neurodegenerativních onemocnění, rakoviny nebo jiných komplexních onemocnění.

V materiálové vědě platí stejná logika pro navrhnout nové sloučeniny se specifickými vlastnostmiStabilnější supravodiče, materiály pro baterie s vyšší energetickou hustotou, pokročilé polymery nebo lehčí a pevnější slitiny. Řízení kvantové dynamiky na mikroskopické úrovni představuje rozdíl mezi testováním náhodných kombinací a jemným dolaďováním výsledků pomocí spolehlivé simulace.

K tomu všemu se přidává potenciální dopad na oblasti, jako je kybernetická bezpečnost. Ačkoli Quantum Echoes sám o sobě není zaměřen na prolomení šifrování, je součástí stejná vlna pokroku, která přibližuje kvantové stroje k užitečnostiBezpečnostní komunita již hovoří o strategii „sklízej teď, dešifruj později“: krádež dat dnes za účelem jejich dešifrování v době, kdy existují kvantové počítače schopné prolomit současné kryptografické algoritmy, což vedlo organizace jako Evropská unie a ENISA k plánování přechodu na postkvantové systémy.

Na geopolitické úrovni zapadá krok Googlu do Tvrdá konkurence s giganty jako IBM, Microsoft a několika čínskými hráčiPlatformy jako čínský Wukong nebo vývoj supravodivých qubitů a dlouhodobých logických qubitů od společnosti IBM ukazují, že nikdo nechce zůstat pozadu. Ověřitelná kvantová výhoda, kterou Google prohlašuje, je kromě vědeckého pokroku i strategickým sdělením o jeho pozici v tomto závodě.

Současná omezení a skepticismus ve vědecké komunitě

Není to jen ohňostroj. Ačkoli experiment Quantum Echoes představuje skok vpřed oproti předchozím milníkům, několik odborníků zdůrazňuje, že Stále se jednoznačně nacházíme v experimentální fázi.Prozatím byly demonstrace provedeny s relativně malými molekulami a s kvantovými obvody, které jsou sice působivé, ale stále zdaleka nejsou potřeba k řešení rozsáhlých průmyslových problémů.

Podle odhadů shromážděných samotným Googlem je k dosažení molekul, které vyžadují řádově 50 fyzických qubitů relevantní složitostiTo by vyžadovalo provoz stovek tisíc až několika milionů kvantových logických hradel. Toto číslo je daleko nad 792 hradly používanými v současných experimentech a techniky zmírňování chyb, které v tomto režimu fungují, by se nemusely dobře škálovat na mnohem hlubší obvody.

Jednou z opakujících se kritik je, že ačkoli demonstrace ukazuje skutečnou kvantovou výhodu, Praktické využití s ​​vysokým dopadem dosud nebylo prokázáno.Jinými slovy, algoritmus posloužil k validaci metod a ke studiu systémů, které lze zpracovat vylepšenými klasickými technikami, ale dosud nevyřešil problém, který byl pro klasické výpočty v konkrétním průmyslovém nebo lékařském kontextu zcela nedosažitelný.

Navíc otázka korekce chyb zůstává překážkou. Provozování rozsáhlých kvantových počítačů vyžaduje Robustní logické qubity sestavené z mnoha fyzických qubitůaby bylo možné detekovat a opravit jednotlivé chyby bez ztráty informací. Google tento cíl označil za milník 3 svého kvantového plánu: dosažení dlouhodobého logického qubitu, který dokáže odolat nárokům spouštění složitých algoritmů bez pádů.

Navzdory těmto výhradám i ty nejopatrnější hlasy uznávají, že Kvantové ozvěny mohou být důležitým předběžným krokem směrem k demonstraci praktické užitečnosti. Klíčem bude zjistit, zda ostatní laboratoře dokážou experiment reprodukovat, vylepšit konkurenční klasické algoritmy a především škálovat tyto techniky na systémy s větším počtem qubitů a více hradly, aniž by došlo k prudkému nárůstu chyb.

Při pohledu na celkový obraz se Quantum Echoes rýsuje do role... jasným znamením, že kvantový hardware a software se vyvíjejí paralelněWillow demonstruje, že je možné pracovat s dostatečně nízkou mírou chybovosti, aby bylo možné vytvořit delikátní protokoly pro obrácení času, a zároveň algoritmus otevírá dveře aplikacím, které přímo řeší fyzikální problémy reálného světa. Před námi je ještě dlouhá cesta, ale první ozvěny aplikovaného kvantového počítání se začínají ozývat hlasitě a jasně.

Související článek:

Google AI Overviews přichází do Španělska: co to je a jak mění vyhledávání