Wie der Quantum Echoes-Algorithmus von Google funktioniert

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La Quantencomputing ist nicht länger nur Theorie. Google versucht seit Jahren, sich in Gespräche über Medizin, fortschrittliche Materialien oder Cybersicherheit einzubringen. ihre Quantencomputer Hierbei handelt es sich nicht nur um aufsehenerregende Prototypen, sondern um Werkzeuge mit realen Anwendungsmöglichkeiten. Mit dem Quantum-Echoes-Algorithmus und dem dazugehörigen Willow-Chip will das Unternehmen einen jener Meilensteine ​​erreicht haben, die das Tempo dieses technologischen Wettlaufs verändern könnten.

Dieser neue Algorithmus, ein Out-of-Order-Korrelator Es wurde entwickelt, um die Ausbreitung von Quanteninformation in komplexen Systemen zu untersuchen, und ist nicht nur unglaublich schnell: Laut veröffentlichten Daten arbeitet es bei einer vergleichbaren Aufgabe etwa 13.000 Mal schneller als die besten klassischen Supercomputer. Am interessantesten ist jedoch, dass es sich um einen verifizierbaren Algorithmus handelt. Das bedeutet, dass seine Ergebnisse auf anderen ähnlichen Quantengeräten reproduziert und überprüft werden können – ein entscheidender Faktor, wenn diese Technologie den Laborbereich verlassen soll.

Was genau sind Quantenechos und warum spricht jeder darüber?

Quantum Echoes ist ein Quantenalgorithmus vom OTOC-Typ (Out-of-Time-Order Correlator). Seine Hauptfunktion besteht darin, zu messen, wie sich der Zustand eines Qubits verändert, nachdem ein Quantensystem einer Reihe von Operationen unterzogen und dessen Entwicklung anschließend „zurückgespult“ wurde. In der Praxis fungiert er als Thermometer des Quantenchaos: Er analysiert die Informationsverteilung innerhalb einer Menge von Qubits, indem er Größen wie Magnetisierung, Dichte, Ströme und Geschwindigkeit misst.

Google schlägt vor, diesen Algorithmus als eine Art von sorgfältig entworfenes QuantenechoZunächst empfängt der Willow-Chip ein komplexes Quantensignal, das eine Systementwicklung auslöst. Anschließend wird eine kleine Störung in ein bestimmtes Qubit eingeführt, woraufhin die umgekehrte Operationsfolge ausgeführt wird, um den Prozess rückgängig zu machen. Am Ende dieses gesamten Prozesses sendet das System ein Quantenecho des Ausgangszustands zurück, das dank konstruktiver Interferenz verstärkt wird und hochpräzise Informationen über die bisherigen Vorgänge liefert.

Aus theoretischer Sicht werden diese Arten von Out-of-Order-Korrelatoren zur Untersuchung verwendet. wie sich Informationen in extrem komplexen Systemen vermischen und verbreitenBeispielsweise Modelle, die Schwarze Löcher oder exotische Quantenmaterialien beschreiben. Neu ist hier, dass sie erstmals von der Theorie ins Labor übertragen wurden – mit einem Experiment, das sich wiederholen und verifizieren lässt und zudem auf sehr konkrete physikalische Anwendungen hinweist.

Google hat diese Ergebnisse in zwei sich ergänzenden Artikeln vorgestellt: einer davon wurde veröffentlicht in NaturEine der Arbeiten konzentriert sich auf die Demonstration des Algorithmus und seines nachweisbaren Quantenvorteils, während eine andere, im arXiv-Repository veröffentlichte, eher auf potenzielle Anwendungen in Chemie und Spektroskopie ausgerichtet ist. Zu den Unterzeichnern des Nature-Artikels gehört Michel Devoret, Gewinner des Physik-Nobelpreises 2025 und eine Schlüsselfigur in der Entwicklung supraleitender Qubits.

Laut den Ingenieuren des Unternehmens Quantum Echoes funktioniert 13.000 Mal schneller auf dem Willow-Chip, der der beste äquivalenter klassischer Algorithmus Die Berechnungen wurden auf den leistungsstärksten Supercomputern der Welt durchgeführt. Praktisch gesprochen: Was eine klassische Maschine Tausende oder Billionen von Jahren bräuchte, schafft Willow in wenigen Minuten und überschreitet damit die Schwelle zu einem vollwertigen Quantenvorteil.

Grundlagen des Quantencomputings zum Verständnis des Algorithmus

Um ein klares Bild davon zu bekommen, wie Quantum Echoes funktioniert, sollte man sich Folgendes vor Augen halten: Ein Quantencomputer funktioniert nicht mit klassischen Bits.Aber mit Qubits. Während ein Bit nur 0 oder 1 sein kann, kann ein Qubit gleichzeitig beide Zustände annehmen. Dadurch kann eine Menge von Qubits gleichzeitig eine riesige Anzahl von Kombinationen aus Nullen und Einsen darstellen.

Qubits werden durch Manipulation physikalischer Systeme wie z. B. Photonen, Elektronen, gefangene Ionen, Atome oder supraleitende SchaltkreiseGoogle investiert, wie andere Unternehmen auch, in supraleitende Qubits, die direkte Nachfolger der Experimente mit makroskopischen Quantenschaltungen sind, die Devoret und andere Forscher in den 1980er Jahren initiierten. Diese Qubits können verschränkt werden, das heißt, einen gemeinsamen Quantenzustand teilen, und kollektive Strukturen bilden, in denen sich Wahrscheinlichkeiten wie Wellen überlagern.

In diesem Kontext ist ein Quantenalgorithmus nichts anderes als ein Folge von Logikgattern die auf eine Netzwerk aus sich überlappenden und ineinander verschlungenen QubitsIm Verlauf der Schaltung verstärken oder heben sich die Wahrscheinlichkeitsamplituden durch Interferenz gegenseitig auf. Die Kunst besteht darin, den Algorithmus so zu gestalten, dass am Ende die korrekten Lösungen verstärkt werden und bei der Messung des Systems die wahrscheinlichste Größe darstellen.

Konstruktive Interferenz, einer der Schlüssel zu Quantenechos, tritt auf, wenn Quantenwellen richten sich in Phase aus Sie addieren sich, anstatt sich gegenseitig aufzuheben. Bei einer gut ausgelegten Schaltung bewirkt dieser Effekt, dass das finale „Echo“ des Algorithmus deutlich vom Hintergrundrauschen abhebt und eine sehr präzise Messung der Informationsausbreitung im System ermöglicht, selbst wenn der Zwischenprozess sehr chaotisch verlaufen ist.

Das klingt alles sehr vielversprechend, birgt aber auch ein ernstes Problem: die Fragilität von Quantensystemen gegenüber RauschenGeringfügige Schwankungen der Temperatur, Vibrationen, elektromagnetischen Strahlung oder externe Störungen können Fehler in Qubits hervorrufen, die Kohärenz des Systems stören und die Berechnung zunichtemachen. Daher zählen die Kontrolle von Quantenfehlern und die Reduzierung der Dekohärenz zu den größten Herausforderungen der Branche.

Wie Quantum Echoes Schritt für Schritt auf dem Willow-Chip funktioniert

Willow ist die letzte Googles supraleitender QuantenchipUnd genau auf dieser Hardware läuft Quantum Echoes. Dieser Prozessor erregte bereits Aufsehen, indem er Benchmark-Tests zum Abtasten zufälliger Schaltkreise in weniger als fünf Minuten absolvierte – Aufgaben, für die ein herkömmlicher Supercomputer zig Septillionen Jahre bräuchte. Mit Quantum Echoes steht Willow nun wieder im Mittelpunkt.

Das Grundschema des Algorithmus kann als eine Art quantenmechanisches „Zeit-Zurückspulen“ verstanden werden, obwohl Nichts wird in die Vergangenheit geschicktDas Verfahren beinhaltet die Anwendung einer Operationsfolge auf das System, das Einbringen einer kleinen Störung in ein bestimmtes Qubit und die anschließende, äußerst präzise, ​​umgekehrte Ausführung derselben Folge. Bei optimaler Abstimmung kehrt das System nahezu in seinen ursprünglichen Zustand zurück und sendet ein interferometrisches Echo aus, das eine Fülle von Informationen enthält.

Vereinfacht dargestellt, umfasst das Verfahren drei Hauptphasen: erstens, ein wohlkontrollierter Anfangszustand in einer Menge von QubitsDann wird dieser Zustand durch eine Sequenz von Quantengattern weiterentwickelt, die ihn hochkomplex und chaotisch machen; schließlich wird die Zeitumkehr des Schaltkreises durchgeführt, ein Qubit wird mitten im Prozess verändert, und es wird beobachtet, wie sich diese Störung auf das endgültige Echo auswirkt.

Das Schöne an dieser Anordnung ist, dass das am Ende gemessene Echo keine schwache Reflexion ist, sondern ein verstärktes Signal durch konstruktive InterferenzGenau aus diesem Grund reagiert das Verfahren äußerst empfindlich auf kleinste Veränderungen der internen Systemdynamik. Google hat diese Empfindlichkeit genutzt, um die effektive Fehlerrate des Chips exponentiell zu reduzieren und Ergebnisse unterhalb der Schwelle zu erzielen, ab der eine großflächige Fehlerkorrektur sinnvoll wird.

In einigen der beschriebenen Experimente konnte die Quantenmaschine das Problem in etwas mehr als zwei Stunden lösen, während der Supercomputer Frontier – einer der leistungsstärksten der Welt – dafür benötigt hätte. etwa 3,2 Jahre kontinuierliche Rechenleistung um äquivalenten klassischen Code auszuführen. Dieser enorme Leistungsunterschied, verbunden mit der Tatsache, dass das Ergebnis auf Willow oder anderen Geräten ähnlicher Qualität reproduziert werden kann, bildet die Grundlage des sogenannten „verifizierbaren Quantenvorteils“.

Darüber hinaus das von Google verwendete Protokoll Ohne Anwendung bleibt es keine einfache Übung in Quantenüberlegenheit.Im Gegensatz zu früheren Experimenten, die sich auf künstliche mathematische Probleme konzentrierten, die schwer auf die reale Welt zu übertragen sind, wird hier der Algorithmus verwendet, um ganz spezifische physikalische Prozesse zu simulieren: die Struktur und Dynamik realer Moleküle, die ebenfalls mit Kernspinresonanz untersucht werden.

Nachweisbarer Quantenvorteil: Warum dieser Durchbruch anders ist

Bislang stießen viele Ankündigungen der „Quantenüberlegenheit“ auf Kritik, weil Es war unklar, wie die Ergebnisse unabhängig überprüft werden könnten. noch welchen praktischen Nutzen die gelösten Probleme hatten. Googles Meilenstein von 2019 bestand beispielsweise in der Durchführung einer Berechnung zur zufälligen Schaltungsabtastung, die kein Supercomputer in angemessener Zeit wiederholen konnte, die aber auch außerhalb des Labors keinen Nutzen hatte.

Mit Quantum Echoes versucht das Unternehmen, diese Debatte mit einem von Anfang an darauf ausgelegten Experiment zu klären. überprüfbar und wiederholen Sie den Trick bei jedem, der es möchte.Der Algorithmus wurde mit Parametern und Konfigurationen implementiert, die andere Forschungsgruppen mit vergleichbarer Quantenhardware nachbilden können. Darüber hinaus werden die Ergebnisse der Quantensimulation mit klassischen physikalischen Messungen verglichen, die mit etablierten Methoden gewonnen wurden.

Die von Google behauptete „quantenmechanische Verifizierbarkeit“ beruht auf zwei Säulen: erstens der Tatsache, dass die Berechnungen auf anderen ähnlichen Quantenmaschinen reproduziert werden können; zweitens der Möglichkeit von Vergleichen Sie die Ausgabe des Algorithmus mit experimentellen Daten. Kernspinresonanztomographie oder klassische Simulationen, sofern diese noch durchführbar sind. Diese doppelte Validierung untermauert die Annahme, dass es sich nicht einfach um einen schwer überprüfbaren mathematischen Trick handelt.

Damit diese Art von Demonstration möglich ist, muss die Hardware folgende Eigenschaften aufweisen: Hochgeschwindigkeitsoperationen mit extrem niedrigen FehlerratenJede Abweichung in der Zeitumkehrsequenz zerstört das finale Echo. Die Tatsache, dass Willow diese Herausforderung ohne Kollaps bewältigen konnte, deutet darauf hin, dass die Kontrolle über supraleitende Qubits ein bemerkenswertes Niveau erreicht hat, das weitaus ausgereifter ist als noch vor wenigen Jahren.

Dennoch mahnen mehrere Experten zur Vorsicht. Forscher wie Carlos Sabín vom Institut für Theoretische Physik der Autonomen Universität Madrid weisen darauf hin, dass Weitere Quantenvorteile wurden bereits angekündigt und anschließend näher erläutert. Während andere Gruppen klassische Algorithmen verfeinert oder Wege gefunden haben, die Ergebnisse mithilfe herkömmlicher Computer anzunähern, ist die wissenschaftliche Gemeinschaft jetzt dabei zu überprüfen, inwieweit Googles Experiment eine feste Grenze markiert.

Anwendung in der Chemie: Moleküle, NMR und der Traum vom „Quantoskop“

Einer der auffälligsten Aspekte von Quantum Echoes ist seine Verwendung als Werkzeug für chemische Simulation und QuantenspektroskopieIn Zusammenarbeit mit der University of California in Berkeley hat Google den Algorithmus auf Willow angewendet, um zwei Moleküle zu untersuchen: eines mit 15 Atomen und ein anderes mit 28 Atomen. Als Vergleichspunkt dienten experimentelle Daten der Kernspinresonanz (NMR).

MRI, die spektroskopische Variante der medizinischen Magnetresonanztomographie, fungiert als Molekularmikroskop basierend auf magnetischen „Spins“ Die Spins von Atomkernen werden untersucht. Durch die Messung der Reaktion dieser Spins auf Magnetfelder und Hochfrequenzsignale können Wissenschaftler die relative Position der Atome und somit die Struktur des Moleküls bestimmen. Es handelt sich um ein grundlegendes Werkzeug in Chemie, Biologie und Materialwissenschaften.

Das Problem besteht darin, dass bei größeren Molekülen oder komplexeren Wechselwirkungen zwischen den Spins die Klassische Methoden zur Interpretation von NMR-Daten werden extrem teuer Aus rechnerischer Sicht. Hier kommt Quantum Echoes ins Spiel: Seine Fähigkeit, die interne Quantendynamik eines chaotischen Systems zu verfolgen, ermöglicht es, Wechselwirkungen zwischen Spins über große Entfernungen effizienter zu modellieren.

Im Rahmen des gemeinsam mit Berkeley durchgeführten Machbarkeitsnachweises wurden mit dem Quantenalgorithmus Ergebnisse erzielt. Sie stimmten mit den herkömmlichen MRT-Messungen überein. Dies galt für beide Moleküle und stellte die erste überzeugende Bestätigung des Ansatzes dar. Darüber hinaus lieferte die Quantenanalyse weitere Details zur Spindynamik, die mit klassischen Methoden normalerweise nicht zugänglich sind, was auf eine höhere Sensitivität hindeutet.

Forscher wie Ashok Ajoy, ein Mitarbeiter von Google Quantum AI und Professor in Berkeley, sprechen bereits über eine Zukunft „Quantenspektroskopie“, die in der Lage ist, die aktuellen Grenzen zu überwindenIn diesem Szenario könnte die Kombination von experimenteller NMR mit Quantenalgorithmen wie Quantum Echoes zu einem erstklassigen Werkzeug für die Entdeckung neuer Medikamente, das bessere Verständnis komplexer Krankheiten wie Alzheimer oder die Entwicklung fortschrittlicher Materialien für Batterien, Polymere oder sogar supraleitende Qubits selbst werden.

Mögliche Auswirkungen auf Medizin, Materialwissenschaften und andere Industrien

Wenn Googles Versprechen sich bewahrheiten, könnte Quantum Echoes der erste ernsthafte Schritt in Richtung Quantencomputer mit konkreten realen AnwendungenDie Fähigkeit, Vielteilchen-Quantensysteme präzise zu modellieren, hat direkte Auswirkungen auf Bereiche wie die Computerchemie, wo die Simulation komplexer elektronischer Wechselwirkungen für klassische Computer ein nahezu unlösbares Problem darstellt.

Im biomedizinischen Bereich bedeutet dies die Möglichkeit von um den Raum potenzieller Wirkstoffmoleküle wesentlich effizienter zu erkundenAnstatt Tausende von Verbindungen blind zu testen, könnte ein Quantencomputer dabei helfen, vorherzusagen, welche Strukturen am besten zu einem bestimmten biologischen Ziel passen, und so die Entwicklung von Behandlungen für neurodegenerative Erkrankungen, Krebs oder andere komplexe Krankheiten beschleunigen.

In der Materialwissenschaft gilt die gleiche Logik für neue Verbindungen mit spezifischen Eigenschaften entwerfenStabilere Supraleiter, Batteriematerialien mit höherer Energiedichte, fortschrittliche Polymere oder leichtere und festere Legierungen. Die Kontrolle über die Quantendynamik auf mikroskopischer Ebene macht den Unterschied zwischen dem Testen zufälliger Kombinationen und der Feinabstimmung der Ergebnisse durch eine zuverlässige Simulation aus.

Hinzu kommt der potenzielle Einfluss auf Bereiche wie die Cybersicherheit. Obwohl Quantum Echoes selbst nicht darauf abzielt, Verschlüsselungen zu knacken, ist es Teil davon. Dieselbe Fortschrittswelle, die Quantenmaschinen der Nützlichkeit näherbringt.In der Sicherheitsgemeinschaft wird bereits über die Strategie „Jetzt sammeln, später entschlüsseln“ gesprochen: Daten werden heute gestohlen, um sie erst dann zu entschlüsseln, wenn Quantencomputer existieren, die in der Lage sind, die aktuellen kryptografischen Algorithmen zu knacken. Dies hat Organisationen wie die Europäische Union und ENISA dazu veranlasst, den Übergang zu Post-Quanten-Systemen zu planen.

Auf geopolitischer Ebene passt Googles Schritt in eine Harter Wettbewerb mit Giganten wie IBM, Microsoft und mehreren chinesischen AnbieternPlattformen wie Wukong in China oder IBMs Entwicklungen im Bereich supraleitender und langlebiger Logik-Qubits zeigen, dass niemand den Anschluss verlieren will. Der von Google beanspruchte, nachweisbare Quantenvorteil ist neben einem wissenschaftlichen Fortschritt auch eine strategische Botschaft über seine Position in diesem Wettlauf.

Aktuelle Einschränkungen und Skepsis innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft

Es ist nicht alles Gold, was glänzt. Obwohl das Quantum Echoes-Experiment einen Quantensprung gegenüber früheren Meilensteinen darstellt, betonen mehrere Experten, dass Wir befinden uns eindeutig noch in einer experimentellen Phase.Bislang wurden die Demonstrationen mit relativ kleinen Molekülen und mit Quantenschaltungen durchgeführt, die zwar beeindruckend sind, aber noch weit von dem entfernt sind, was zur Lösung großtechnischer industrieller Probleme erforderlich wäre.

Laut Schätzungen von Google selbst sind für die Gewinnung von Molekülen, die in der Größenordnung von 50 physikalische Qubits relevanter KomplexitätDies würde den Betrieb von Hunderttausenden bis mehreren Millionen Quantenlogikgattern erfordern. Diese Zahl liegt weit über den 792 Gattern, die in aktuellen Experimenten verwendet werden, und Fehlerkorrekturverfahren, die in diesem Bereich funktionieren, lassen sich möglicherweise nicht gut auf wesentlich komplexere Schaltkreise übertragen.

Ein häufig geäußerter Kritikpunkt ist, dass die Demonstration zwar einen echten Quantenvorteil aufzeigt, Ein hoher praktischer Nutzen konnte bisher nicht nachgewiesen werden.Mit anderen Worten: Der Algorithmus diente dazu, Methoden zu validieren und Systeme zu untersuchen, die mit verbesserten klassischen Techniken bearbeitet werden können. Er hat jedoch noch kein Problem gelöst, das für die klassische Datenverarbeitung in einem bestimmten industriellen oder medizinischen Kontext völlig unlösbar war.

Darüber hinaus stellt die Fehlerkorrektur weiterhin eine Hürde dar. Der Betrieb von großskaligen Quantencomputern erfordert Robuste logische Qubits, die aus vielen physikalischen Qubits aufgebaut sindSo können einzelne Fehler erkannt und korrigiert werden, ohne dass Informationen verloren gehen. Google hat dieses Ziel als Meilenstein 3 seiner Quanten-Roadmap definiert: die Entwicklung eines langlebigen Logik-Qubits, das den Anforderungen komplexer Algorithmen standhält, ohne abzustürzen.

Trotz dieser Vorbehalte räumen selbst die vorsichtigsten Stimmen ein, dass Quantenechos könnten ein wichtiger Vorschritt sein. mit dem Ziel, den praktischen Nutzen aufzuzeigen. Entscheidend wird sein, ob andere Labore das Experiment reproduzieren, konkurrierende klassische Algorithmen verbessern und vor allem diese Techniken auf Systeme mit mehr Qubits und Gattern skalieren können, ohne dass die Fehlerrate sprunghaft ansteigt.

Im Großen und Ganzen betrachtet, entwickelt sich Quantum Echoes zu einem ein klares Zeichen dafür, dass Quantenhardware und -software parallel Fortschritte machen.Willow beweist, dass es möglich ist, mit so niedrigen Fehlerraten zu arbeiten, dass selbst heikle Zeitumkehrprotokolle real werden können. Gleichzeitig eröffnet der Algorithmus neue Anwendungsmöglichkeiten für physikalische Probleme der realen Welt. Es ist noch ein langer Weg, doch die ersten Anzeichen angewandten Quantencomputings sind bereits deutlich zu hören.

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