Sådan fungerer Googles Quantum Echoes-algoritme

Informatic Digital » Recursos » Sådan fungerer Googles Quantum Echoes-algoritme

La Kvanteberegning er ikke længere bare teori at begynde at blande sig i samtaler om medicin, avancerede materialer eller cybersikkerhed. Google har i årevis forsøgt at demonstrere det deres kvantecomputere Det er ikke bare iøjnefaldende prototyper, men værktøjer med virkelige anvendelser. Med Quantum Echoes-algoritmen og dens Willow-chip hævder virksomheden at have nået en af ​​de milepæle, der kan ændre tempoet i dette teknologiske kapløb.

Denne nye algoritme, en korrelator i forkert rækkefølge Den er designet til at studere, hvordan kvanteinformation udbredes i komplekse systemer, og den er ikke bare utrolig hurtig: ifølge offentliggjorte data fungerer den omkring 13.000 gange hurtigere end de bedste klassiske supercomputere til en tilsvarende opgave. Men det mest interessante er, at det er en verificerbar algoritme, hvilket betyder, at dens resultater kan gentages og kontrolleres på andre lignende kvanteenheder – en nøglefaktor, hvis vi ønsker, at denne teknologi skal bevæge sig ud over laboratoriet.

Hvad er kvanteekkoer præcist, og hvorfor taler alle om det?

Kvanteekkoer er en OTOC-type kvantealgoritme (Out-of-Time-Order Correlator). Dens hovedfunktion er at måle, hvordan tilstanden af ​​en qubit ændrer sig efter at have udsat et kvantesystem for en række operationer og derefter "spolet tilbage" dets udvikling. I praksis fungerer den som et termometer for kvantekaos: den analyserer, hvordan information spredes inden for et sæt af qubits ved at måle størrelser som magnetisering, densitet, strømme og hastighed.

Det, Google foreslår, er at bruge denne algoritme som en slags omhyggeligt designet kvanteekkoFørst modtager Willow-chippen et komplekst kvantesignal, der får systemet til at udvikle sig. Derefter introduceres en lille perturbation i en specifik qubit, og efterfølgende udføres den omvendte rækkefølge af operationer for at forsøge at fortryde processen. Ved afslutningen af ​​hele denne proces returnerer systemet et kvante-"ekko" af den oprindelige tilstand, som takket være konstruktiv interferens forstærkes og afslører meget præcis information om, hvad der er sket undervejs.

Fra et teoretisk synspunkt bruges disse typer af korrelatorer uden for rækkefølge til at studere hvordan information blandes og spredes i ekstremt komplekse systemersåsom modeller, der beskriver sorte huller eller eksotiske kvantematerialer. Det nye her er, at de for første gang er blevet taget fra teori til laboratoriet med et eksperiment, der kan gentages og verificeres, og som også peger på meget specifikke fysiske anvendelser.

Google har præsenteret disse resultater i to supplerende artikler: den ene er udgivet i NaturEn artikel fokuserer på at demonstrere algoritmen og dens verificerbare kvantefordel, mens en anden, der er lagt ud på arXiv-arkivet, er mere orienteret mod potentielle anvendelser inden for kemi og spektroskopi. Blandt underskriverne af Nature-artiklen er Michel Devoret, vinder af Nobelprisen i fysik i 2025 og en nøglefigur i udviklingen af ​​superledende qubits.

Ifølge virksomhedens ingeniører, Quantum Echoes fungerer 13.000 gange hurtigere på Willow-chippen, at den bedste ækvivalent klassisk algoritme udført på verdens mest kraftfulde supercomputere. I praksis opnår Willow på få minutter, hvad en klassisk maskine ville tage tusinder eller billioner af år at løse, og krydser dermed tærsklen til, hvad der betragtes som en fuldgyldig kvantefordel.

Grundlæggende om kvanteberegning for at forstå algoritmen

For at få en klar idé om, hvordan Quantum Echoes fungerer, er det værd at huske på, at En kvantecomputer fungerer ikke med klassiske bits.men med qubits. Mens en bit kun kan være 0 eller 1, kan en qubit være i en superposition af begge tilstande på samme tid. Dette gør det muligt for et sæt qubits at repræsentere et stort antal kombinationer af nuller og ettaller samtidigt.

Qubits implementeres ved at manipulere fysiske systemer som f.eks. fotoner, elektroner, fangede ioner, atomer eller superledende kredsløbLigesom andre virksomheder investerer Google i superledende qubits, direkte efterkommere af de eksperimenter i makroskopiske kvantekredsløb, der blev initieret af Devoret og andre forskere i 1980'erne. Disse qubits kan blive viklet ind i hinanden, det vil sige dele en fælles kvantetilstand, og danne kollektive strukturer, hvor sandsynligheder kombineres som bølger.

I denne sammenhæng er en kvantealgoritme intet andet end en sekvens af logiske porte der anvendes på en netværk af overlappende og sammenflettede qubitsEfterhånden som kredsløbet udvikler sig, forstærker eller ophæver sandsynlighedsamplituderne hinanden gennem interferens. Tricket er at designe algoritmen, så de korrekte løsninger i sidste ende forstærkes og bliver de mest sandsynlige, når systemet måles.

Konstruktiv interferens, en af ​​nøglerne til kvanteekkoer, opstår når kvantebølger justeres i fase og de lægger sig sammen i stedet for at ophæve hinanden. Hvis kredsløbet er godt designet, får denne effekt algoritmens endelige "ekko" til at skille sig tydeligt ud fra baggrundsstøjen og muliggør en meget følsom aflæsning af, hvordan informationen har forplantet sig i systemet, selvom den mellemliggende proces har været meget kaotisk.

Alt dette lyder meget kraftfuldt, men det kommer også med et alvorligt problem: Kvantesystemers skrøbelighed i lyset af støjMinimale variationer i temperatur, vibrationer, elektromagnetisk stråling eller ekstern interferens kan introducere fejl i qubits, bryde systemets kohærens og ødelægge beregningen. Derfor er kvantefejlkontrol og dekohærensreduktion to af branchens største udfordringer.

Sådan fungerer Quantum Echoes trin for trin på Willow-chippen

Pil er den sidste Googles superledende kvantechipOg det er det stykke hardware, som Quantum Echoes kører på. Denne processor har allerede vakt opmærksomhed ved at gennemføre benchmarktests for sampling af tilfældige kredsløb på under fem minutter – opgaver, som en konventionel supercomputer ikke kunne udføre på titusindvis af septilloner af år. Med Quantum Echoes indtager Willow endnu engang en central plads.

Algoritmens grundlæggende skema kan forstås som en kvante-"tidstilbagespolings"-oplevelse, selvom Intet sendes til fortidenProcessen involverer at anvende en række operationer på systemet, introducere en lille perturbation til en specifik qubit og derefter udføre den samme sekvens i omvendt rækkefølge med ekstrem præcision. Hvis alt er korrekt indstillet, vender systemet tilbage til næsten sin oprindelige tilstand og frigiver et interferometrisk ekko, der indeholder en mængde information.

Meget forenklet følger proceduren tre hovedfaser: først, en velkontrolleret starttilstand i et sæt af qubitsDerefter får denne tilstand lov til at udvikle sig gennem en sekvens af kvanteporte, der gør den yderst kompleks og kaotisk; endelig udføres tidsvendingen af ​​kredsløbet, en qubit ændres midt i processen, og det observeres, hvordan denne perturbation påvirker det endelige ekko.

Det smukke ved denne opsætning er, at ekkoet, der måles til sidst, ikke er en svag refleksion, men et signal, der er forstærket af konstruktiv interferensNetop af denne grund er teknikken ekstremt følsom over for små ændringer i systemets interne dynamik. Google har udnyttet denne følsomhed til eksponentielt at reducere chippens effektive fejlrate og opnå resultater under den tærskel, hvor storstilet fejlkorrektion bliver mulig.

I nogle af de beskrevne eksperimenter var kvantemaskinen i stand til at løse problemet på lidt over to timer, mens Frontier-supercomputeren – en af ​​de mest kraftfulde i verden – ville have haft brug for det. cirka 3,2 års kontinuerlig databehandling at udføre tilsvarende klassisk kode. Denne enorme forskel i ydeevne, kombineret med det faktum, at resultatet kan gentages på Willow eller andre enheder af lignende kvalitet, er grundlaget for den såkaldte "verificerbare kvantefordel".

Desuden den protokol, der anvendes af Google Det forbliver ikke en simpel øvelse i kvanteoverherredømme uden anvendelseI modsætning til tidligere eksperimenter, som fokuserede på kunstige matematiske problemer, der er vanskelige at oversætte til den virkelige verden, bruges algoritmen her til at simulere meget specifikke fysiske processer: strukturen og dynamikken i virkelige molekyler, der også studeres med kernemagnetisk resonans.

Verificerbar kvantefordel: hvorfor dette gennembrud er anderledes

Indtil nu har mange udmeldinger om "kvanteoverherredømme" modtaget kritik pga. Det var uklart, hvordan resultaterne skulle verificeres uafhængigt eller hvilken praktisk anvendelse de løste problemer havde. Googles milepæl i 2019 bestod for eksempel af at udføre en beregning på tilfældig kredsløbsprøvetagning, som ingen supercomputer kunne replikere inden for en rimelig tid, men som heller ikke havde nogen anvendelse uden for laboratoriet.

Med Quantum Echoes forsøger virksomheden at afgøre den debat med et eksperiment, der fra starten er designet til at være verificerbar og gentag tricket til alle, der ønsker detAlgoritmen er implementeret med parametre og konfigurationer, som andre forskningsgrupper med sammenlignelig kvantehardware kan forsøge at replikere. Derudover sammenlignes resultaterne af kvantesimuleringen med klassiske fysiske målinger opnået ved hjælp af veletablerede teknikker.

Den "kvanteverificerbarhed", som Google hævder, hviler på to søjler: for det første, at beregningerne kan reproduceres på andre lignende kvantemaskiner; for det andet, muligheden for sammenligne algoritmens output med eksperimentelle data nuklear magnetisk resonansbilleddannelse eller klassiske simuleringer i tilfælde, hvor de stadig er mulige. Denne dobbelte validering underbygger påstanden om, at vi ikke blot har at gøre med et matematisk trick, der er vanskeligt at verificere.

For at denne type demonstration kan udføres, skal hardwaren kombineres højhastighedsoperationer med ekstremt lave fejlraterEnhver afvigelse i den tidsmæssige omvendte sekvens ødelægger det endelige ekko. Det faktum, at Willow var i stand til at overvinde denne udfordring uden at kollapse, antyder, at kontrollen over superledende qubits har nået et bemærkelsesværdigt niveau, langt mere modent end for blot et par år siden.

Alligevel maner flere eksperter til forsigtighed. Forskere som Carlos Sabín fra Institut for Teoretisk Fysik ved det autonome universitet i Madrid påpeger, at Andre kvantefordele er allerede blevet annonceret, som efterfølgende er blevet kvalificeret. Mens andre grupper har forfinet klassiske algoritmer eller fundet måder at tilnærme resultaterne ved hjælp af konventionelle computere, er det videnskabelige samfund nu i gang med at verificere, i hvilken grad Googles eksperiment markerer en fast grænse.

Anvendelse i kemi: molekyler, NMR og drømmen om "kvanteskopet"

Et af de mest slående aspekter ved Quantum Echoes er dets anvendelse som et værktøj til kemisk simulering og kvantespektroskopiI samarbejde med University of California i Berkeley har Google kørt algoritmen på Willow for at studere to molekyler: et med 15 atomer og et andet med 28, ved hjælp af eksperimentelle kernemagnetiske resonansdata (NMR) som sammenligningspunkt.

MR, den spektroskopiske fætter til medicinsk magnetisk resonansbilleddannelse, fungerer som en molekylært mikroskop baseret på magnetiske "spins" af atomkerner. Ved at detektere, hvordan disse spins reagerer på magnetfelter og radiofrekvenssignaler, kan forskere udlede atomernes relative position og dermed molekylets struktur. Det er et grundlæggende værktøj inden for kemi, biologi og materialevidenskab.

Problemet er, at når molekylerne bliver store, eller interaktionerne mellem spins bliver mere komplekse, Klassiske metoder til fortolkning af NMR-data bliver ekstremt dyre Fra et beregningsmæssigt synspunkt. Det er her, Quantum Echoes kommer ind i billedet: dens evne til at spore den interne kvantedynamik i et kaotisk system gør det muligt for den mere effektivt at modellere interaktioner mellem spins over lange afstande.

I proof of concept udført med Berkeley, resultaterne opnået med kvantealgoritmen De stemte overens med de traditionelle MR-målinger. for begge molekyler, hvilket repræsenterede den første stærke validering af tilgangen. Men derudover afslørede kvanteanalysen yderligere detaljer om spindynamikken, som normalt ikke kan opnås med klassiske teknikker, hvilket peger på større følsomhed.

Forskere som Ashok Ajoy, en samarbejdspartner med Google Quantum AI og professor ved Berkeley, taler allerede om en fremtid "Kvantespektroskopi", der er i stand til at overskride de nuværende grænserI dette scenarie kan kombinationen af ​​eksperimentel NMR med kvantealgoritmer som Quantum Echoes blive et førsteklasses værktøj til at opdage nye lægemidler, bedre forstå komplekse sygdomme som Alzheimers eller designe avancerede materialer til batterier, polymerer eller endda superledende qubits.

Potentiel indvirkning på medicin, materialevidenskab og andre industrier

Hvis Googles løfter bliver til virkelighed, kan Quantum Echoes være det første seriøse skridt i retning af Kvantecomputere med håndgribelige anvendelser i den virkelige verdenEvnen til præcist at modellere kvantesystemer med mange legemer har direkte implikationer inden for områder som beregningskemi, hvor simulering af komplekse elektroniske interaktioner er et næsten uoverkommeligt problem for klassisk databehandling.

Inden for det biomedicinske område betyder dette muligheden for at udforske rummet af lægemiddelkandidatmolekyler meget mere effektivtI stedet for blindt at teste tusindvis af forbindelser, kan en kvantecomputer hjælpe med at forudsige, hvilke strukturer der bedst passer til et specifikt biologisk mål, hvilket fremskynder udviklingen af ​​behandlinger for neurodegenerative sygdomme, kræft eller andre komplekse sygdomme.

Inden for materialevidenskab gælder den samme logik for designe nye forbindelser med specifikke egenskaberMere stabile superledere, batterimaterialer med højere energitæthed, avancerede polymerer eller lettere og stærkere legeringer. Kontrol over kvantedynamik på mikroskopisk niveau gør forskellen mellem at teste tilfældige kombinationer og finjustere resultaterne med en pålidelig simulering.

Oven i alt dette kommer den potentielle indvirkning på områder som cybersikkerhed. Selvom Quantum Echoes i sig selv ikke har til formål at bryde kryptering, er det en del af den samme bølge af fremskridt, der bringer kvantemaskiner tættere på at være nyttigeSikkerhedsmiljøet taler allerede om strategien "høst nu, dekrypter senere": at stjæle data i dag for at dekryptere dem, når der findes kvantecomputere, der er i stand til at bryde nuværende kryptografiske algoritmer, hvilket har fået organisationer som Den Europæiske Union og ENISA til at planlægge overgangen til post-kvantesystemer.

På et geopolitisk niveau passer Googles træk ind i en Hård konkurrence med giganter som IBM, Microsoft og adskillige kinesiske aktørerPlatforme som Wukong i Kina eller IBMs udvikling inden for superledende qubits og langlivede logiske qubits viser, at ingen ønsker at blive efterladt. Den verificerbare kvantefordel, som Google hævder, er, udover et videnskabeligt fremskridt, et strategisk budskab om deres position i dette kapløb.

Nuværende begrænsninger og skepsis inden for det videnskabelige samfund

Det er ikke kun fyrværkeri. Selvom Quantum Echoes-eksperimentet repræsenterer et spring fremad fra tidligere milepæle, understreger flere eksperter, at Vi er tydeligvis stadig i en eksperimentel fase.Indtil videre er demonstrationerne blevet udført med relativt små molekyler og kvantekredsløb, som, selvom de er imponerende, stadig er langt fra, hvad der ville være nødvendigt for at løse store industrielle problemer.

Ifølge estimater indsamlet af Google selv, for at nå molekyler, der kræver i størrelsesordenen 50 fysiske qubits af relevant kompleksitetDette ville kræve, at man kører mellem hundredtusindvis og adskillige millioner kvantelogiske gates. Det tal er langt over de 792 gates, der bruges i nuværende eksperimenter, og fejlreduceringsteknikker, der fungerer i dette regime, skalerer muligvis ikke godt til meget dybere kredsløb.

En af de tilbagevendende kritikpunkter er, at selvom demonstrationen viser en reel kvantefordel, En praktisk anvendelse med stor effekt er endnu ikke blevet bevistMed andre ord har algoritmen tjent til at validere metoder og studere systemer, der kan håndteres med forbedrede klassiske teknikker, men den har endnu ikke løst et problem, der var fuldstændig uopnåeligt for klassisk databehandling i en specifik industriel eller medicinsk kontekst.

Derudover er spørgsmålet om fejlkorrektion fortsat en hindring. Drift af kvantecomputere i stor skala kræver Robuste logiske qubits bygget ud fra mange fysiske qubitsså individuelle fejl kan opdages og rettes uden at miste information. Google har identificeret dette mål som milepæl 3 i sin kvantekøreplan: at opnå en langlivet logisk qubit, der kan modstå kravene ved at køre komplekse algoritmer uden at gå ned.

Trods disse forbehold erkender selv de mest forsigtige stemmer, at Kvanteekkoer kan være et vigtigt indledende skridt i retning af at demonstrere praktisk anvendelighed. Nøglen bliver at se, om andre laboratorier kan reproducere eksperimentet, forbedre konkurrerende klassiske algoritmer og frem for alt skalere disse teknikker til systemer med flere qubits og flere gates uden at fejlene stiger voldsomt.

Når man ser på det store billede, tegner Quantum Echoes sig til at blive en et klart tegn på, at kvantehardware og -software udvikler sig paralleltWillow demonstrerer, at det er muligt at operere med fejlrater, der er lave nok til at muliggøre delikate tidsreverseringsprotokoller, mens algoritmen åbner døren for applikationer, der direkte adresserer fysiske problemer i den virkelige verden. Der er stadig lang vej foran, men de første ekkoer af anvendt kvanteberegning begynder at kunne høres højlydt.

relateret artikel:

Google AI Overviews ankommer til Spanien: hvad det er, og hvordan det ændrer søgning