Kuidas Google'i kvantkaja algoritm töötab

Informatec Digital » Ressursid » Kuidas Google'i kvantkaja algoritm töötab

La Kvantarvutus pole enam pelgalt teooria hakata end meditsiini, täiustatud materjalide või küberturvalisuse teemalistesse vestlustesse sisse elama. Google on aastaid püüdnud seda tõestada nende kvantarvutid Need pole lihtsalt pilkupüüdvad prototüübid, vaid tööriistad reaalsete rakendustega. Quantum Echoes algoritmi ja selle Willow kiibiga väidab ettevõte, et on saavutanud ühe neist verstapostidest, mis võivad muuta selle tehnoloogilise võidujooksu tempot.

See uus algoritm, a korrast ära korrelaator See keerukates süsteemides kvantinformatsiooni leviku uurimiseks loodud algoritm pole mitte ainult uskumatult kiire: avaldatud andmete kohaselt töötab see umbes 13 000 korda kiiremini kui parimad klassikalised superarvutid samaväärse ülesande puhul. Kõige huvitavam on aga see, et tegemist on kontrollitava algoritmiga, mis tähendab, et selle tulemusi saab korrata ja kontrollida teistel sarnastel kvantarvutitel – see on võtmetegur, kui tahame, et see tehnoloogia liiguks laborist kaugemale.

Mis täpselt on Quantum Echoes ja miks kõik sellest räägivad?

Kvantkajad on OTOC-tüüpi kvantalgoritm (Ajast väljas korrelaator). Selle peamine ülesanne on mõõta, kuidas kubiti olek muutub pärast kvantsüsteemi allutamist rea operatsioonidele ja seejärel selle evolutsiooni "tagasikerimist". Praktikas toimib see kvantkaose termomeetrina: see analüüsib, kuidas informatsioon kubitide komplektis hajub, mõõtes selliseid suurusi nagu magnetiseerumine, tihedus, voolud ja kiirus.

Google pakub välja, et seda algoritmi kasutatakse omamoodi hoolikalt kujundatud kvantkajaEsmalt saab Willow kiip keerulise kvantsignaali, mis paneb süsteemi arenema. Seejärel sisestatakse konkreetsesse kubiti väike häiritus ja seejärel teostatakse vastupidine toimingute jada, et proovida protsessi tagasi pöörata. Kogu selle protsessi lõpus tagastab süsteem algoleku kvant"kaja", mis tänu konstruktiivsele interferentsile võimendub ja annab väga täpset teavet selle kohta, mis teel on toimunud.

Teoreetilisest vaatenurgast kasutatakse seda tüüpi järjestusest väljas korrelaatoreid uurimiseks kuidas informatsioon seguneb ja levib äärmiselt keerukates süsteemidesnäiteks musti auke või eksootilisi kvantmaterjale kirjeldavad mudelid. Uus on see, et esmakordselt on need viidud teooriast laborisse katse abil, mida saab korrata ja kontrollida ning mis viitab ka väga spetsiifilistele füüsikalistele rakendustele.

Google on esitanud need tulemused kahes teineteist täiendavas artiklis: üks neist avaldati 2013. aastal. loodusÜks artikkel keskendub algoritmi ja selle kontrollitava kvanteelise demonstreerimisele, samas kui teine, mis on postitatud arXivi repositooriumisse, on rohkem suunatud potentsiaalsetele rakendustele keemias ja spektroskoopias. Looduse artikli allkirjastajate hulgas on Michel Devoret, 2025. aasta Nobeli füüsikapreemia laureaat ja ülijuhtivate kubitite väljatöötamise võtmeisik.

Ettevõtte inseneride sõnul Kvantkajad töötavad 13 000 korda kiiremini Willow kiibil, mis on parim samaväärne klassikaline algoritm teostatud maailma võimsaimatel superarvutitel. Praktikas saavutab Willow selle, mille lahendamiseks klassikalisel masinal kuluks tuhandeid või triljoneid aastaid, mõne minutiga, ületades sellega täieliku kvanteelise läve.

Kvantarvutuse põhitõed algoritmi mõistmiseks

Kvantkaja toimimise selgeks mõistmiseks tasub seda meeles pidada Kvantarvuti ei tööta klassikaliste bittidega.aga kubitidega. Kuigi bitt saab olla ainult 0 või 1, võib kubit olla samaaegselt mõlema oleku superpositsioonis. See võimaldab kubitide komplektil samaaegselt esindada tohutut hulka nullide ja ühtede kombinatsioone.

Kubiite rakendatakse füüsiliste süsteemide, näiteks footonid, elektronid, lõksus olevad ioonid, aatomid või ülijuhtivad vooluringidNagu ka teised ettevõtted, investeerib Google ülijuhtivatesse kubititesse, mis on Devoreti ja teiste teadlaste poolt 1980. aastatel algatatud makroskoopiliste kvantahelate katsete otsesed järeltulijad. Need kubitid võivad omavahel põimuda ehk jagada ühist kvantseisundit ja moodustada kollektiivseid struktuure, kus tõenäosused kombineeruvad nagu lained.

Selles kontekstis pole kvantalgoritm midagi muud kui loogikaväravate jada mis on rakendatud a-le kattuvate ja omavahel põimunud kubitide võrgustikAhela arenedes võimendavad või tühistavad tõenäosusamplituudid interferentsi kaudu üksteist. Nipp seisneb algoritmi kujundamises nii, et lõpuks võimendatakse õigeid lahendusi ja need muutuvad süsteemi mõõtmisel kõige tõenäolisemateks.

Konstruktiivne interferents, mis on üks kvantkaja võtmeid, tekib siis, kui kvantlained joonduvad faasis ja need summeeruvad, selle asemel et üksteist tühistada. Kui vooluring on hästi kavandatud, siis see efekt eristab algoritmi lõplikku "kaja" taustamürast selgelt ning võimaldab väga tundlikult lugeda, kuidas teave on süsteemis levinud, isegi kui vaheprotsess on olnud väga kaootiline.

Kõik see kõlab väga võimsalt, aga sellega kaasneb ka tõsine probleem: Kvantsüsteemide haprus müra taustalMinimaalsed temperatuuri, vibratsiooni, elektromagnetkiirguse või väliste häirete kõikumised võivad kubititesse vigu tekitada, süsteemi koherentsust rikkuda ja arvutuse rikkuda. Seetõttu on kvantvea kontroll ja dekoherentsi vähendamine kaks tööstuse peamist väljakutset.

Kuidas Quantum Echoes Willow kiibil samm-sammult töötab

Paju on viimane Google'i ülijuhtiv kvantkiipJa see on riistvara, millel Quantum Echoes töötab. See protsessor on juba tähelepanu pälvinud, viies minutis juhuslike vooluringide diskreetimise võrdlustestide abil – ülesanded, mida tavaline superarvuti poleks kümnete septiljonite aastate jooksul suutnud täita. Quantum Echoesiga on Willow taas kesksel kohal.

Algoritmi põhiskeemi võib mõista kui kvant-"aja tagasikerimise" kogemust, kuigi Midagi ei saadeta minevikkuProtsess hõlmab süsteemile toimingute jada rakendamist, väikese häirituse sisseviimist kindlale kubitile ja seejärel sama jada äärmise täpsusega vastupidises järjekorras käivitamist. Kui kõik on õigesti häälestatud, naaseb süsteem oma algsele olekule ja vabastab interferomeetrilise kaja, mis sisaldab rikkalikult teavet.

Väga lihtsustatult läbib protseduur kolm peamist etappi: esiteks hästi kontrollitud algseisund kubitite komplektisSeejärel lastakse sellel olekul areneda läbi kvantväravate jada, mis muudab selle väga keerukaks ja kaootiliseks; lõpuks teostatakse vooluringi ajaline ümberpööramine, protsessi keskel muudetakse ühte kubitit ja vaadeldakse, kuidas see häiritus mõjutab lõplikku kaja.

Selle seadistuse ilu seisneb selles, et lõpus mõõdetud kaja ei ole nõrk peegeldus, vaid signaal, mida võimendab konstruktiivne interferentsJust sel põhjusel on see tehnika äärmiselt tundlik süsteemi sisemise dünaamika väikeste muutuste suhtes. Google on seda tundlikkust ära kasutanud, et vähendada kiibi efektiivset veamäära eksponentsiaalselt, saavutades tulemusi allapoole läve, mille juures ulatuslik veaparandus on teostatav.

Mõnes kirjeldatud katses suutis kvantmasin probleemi lahendada veidi rohkem kui kahe tunniga, samas kui Frontieri superarvuti – üks maailma võimsamaid – oleks vajanud umbes 3,2 aastat pidevat arvutikasutust samaväärse klassikalise koodi käivitamiseks. See tohutu jõudluslõhe koos asjaoluga, et tulemust saab korrata Willow'l või muudel sarnase kvaliteediga seadmetel, on nn „kontrollitava kvanteelise“ aluseks.

Lisaks Google'i kasutatav protokoll See ei jää lihtsaks kvantüleoleku harjutuseks ilma rakendusetaErinevalt varasematest katsetest, mis keskendusid tehislikele matemaatilistele probleemidele, mida on raske reaalsesse maailma üle kanda, kasutatakse siin algoritmi väga spetsiifiliste füüsikaliste protsesside simuleerimiseks: reaalsete molekulide struktuuri ja dünaamikat uuriti ka tuumamagnetresonantsi abil.

Kontrollitav kvantne eelis: miks see läbimurre on erinev

Seni on paljud "kvantülemvõimu" kuulutused kriitikat saanud, sest Polnud selge, kuidas tulemusi iseseisvalt kontrollida. ega ka seda, millist praktilist kasu lahendatud probleemidest sai. Näiteks Google'i 2019. aasta verstapost seisnes juhusliku vooluringi valimi abil arvutuse tegemises, mida ükski superarvuti ei suutnud mõistliku aja jooksul korrata, kuid millel polnud ka laboriväliselt mingit kasutust.

Quantum Echoesiga püüab ettevõte seda vaidlust lahendada eksperimendiga, mis on algusest peale kavandatud olema kontrollitav ja korda trikki kõigile, kes seda soovivadAlgoritm on rakendatud parameetrite ja konfiguratsioonidega, mida teised uurimisrühmad saavad võrreldava kvantriistvaraga proovida korrata. Lisaks võrreldakse kvantsimulatsiooni tulemusi klassikaliste füüsikaliste mõõtmistega, mis on saadud väljakujunenud tehnikate abil.

Google'i väidetav „kvant-verifitseeritavus” tugineb kahele sambale: esiteks asjaolule, et arvutusi saab korrata teistel sarnastel kvantmasinatel; teiseks võimalusele võrrelge algoritmi väljundit eksperimentaalsete andmetega tuumamagnetresonantstomograafia või klassikalised simulatsioonid juhtudel, kui need on endiselt teostatavad. See topeltvalideerimine annab kaalu väitele, et me ei tegele lihtsalt matemaatilise trikiga, mida on raske kontrollida.

Selleks, et seda tüüpi demonstratsioon oleks võimalik, peab riistvara kombineeruma kiired toimingud äärmiselt madala veamääragaIgasugune kõrvalekalle ajapöördumise järjestuses rikub lõpliku kaja. Asjaolu, et Willow suutis selle väljakutsega toime tulla ilma kokkuvarisemiseta, viitab sellele, et ülijuhtivate kubitite üle kontrolli saavutamine on märkimisväärselt kõrgel tasemel, palju küpsemal tasemel kui vaid mõned aastad tagasi.

Sellegipoolest nõuavad mitmed eksperdid ettevaatlikkust. Teadlased, näiteks Carlos Sabín Madridi Autonoomse Ülikooli teoreetilise füüsika osakonnast, juhivad tähelepanu sellele, et Teised kvanteelised on juba välja kuulutatud, mis on hiljem kvalifitseeritud. Samal ajal kui teised rühmad on klassikalisi algoritme täiustanud või leidnud viise tulemuste lähendamiseks tavapäraste arvutite abil, kontrollib teadusringkond nüüd, mil määral Google'i eksperiment kindlat piiri tähistab.

Rakendus keemias: molekulid, NMR ja unistus "kvantoskoobist"

Üks Quantum Echoes'i silmatorkavamaid aspekte on selle kasutamine tööriistana keemiline simulatsioon ja kvantspektroskoopiaKoostöös California ülikooliga Berkeleys on Google käivitanud Willow'l algoritmi, et uurida kahte molekuli: ühte 15 aatomiga ja teist 28 aatomiga, kasutades võrdluspunktina eksperimentaalseid tuumamagnetresonantsi (NMR) andmeid.

MRI, meditsiinilise magnetresonantstomograafia spektroskoopiline nõbu, toimib kui magnetilistel "spinnidel" põhinev molekulaarmikroskoop aatomituumadest. Tuvastades, kuidas need spinnid reageerivad magnetväljadele ja raadiosagedussignaalidele, saavad teadlased järeldada aatomite suhtelist asukohta ja sellest tulenevalt ka molekuli struktuuri. See on keemia, bioloogia ja materjaliteaduse põhivahend.

Probleem on selles, et kui molekulid suurenevad või spinnide vahelised interaktsioonid keerukamaks muutuvad, siis Klassikalised NMR-andmete tõlgendamise meetodid muutuvad äärmiselt kalliks Arvutuslikust vaatenurgast tulebki mängu Quantum Echoes: selle võime jälgida kaootilise süsteemi sisemist kvantdünaamikat võimaldab tal efektiivsemalt modelleerida spinnide vahelisi interaktsioone pikkade vahemaade tagant.

Berkeley abil läbi viidud kontseptsioonitõestuses kvantalgoritmiga saadud tulemused Need langesid kokku traditsiooniliste MRI mõõtmistega. mõlema molekuli puhul, mis esindas lähenemisviisi esimest tugevat valideerimist. Lisaks näitas kvantanalüüs spinnidünaamika kohta täiendavaid üksikasju, mida tavaliselt klassikaliste meetoditega ei ole võimalik saada, mis viitab suuremale tundlikkusele.

Teadlased, nagu näiteks Ashok Ajoy, Google Quantum AI kaastöötaja ja Berkeley ülikooli professor, räägivad juba tulevikust. „Kvantspektroskoopia”, mis on võimeline ületama praeguseid piireSelle stsenaariumi korral võiks eksperimentaalse NMR-i ja kvantalgoritmide, näiteks kvantkaja, kombinatsioon saada tipptasemel tööriistaks uute ravimite avastamiseks, keeruliste haiguste, näiteks Alzheimeri tõve paremaks mõistmiseks või akude, polümeeride või isegi ülijuhtivate kubitite endi jaoks täiustatud materjalide kavandamiseks.

Võimalik mõju meditsiinile, materjaliteadusele ja teistele tööstusharudele

Kui Google'i lubadused täituvad, võib Quantum Echoes olla esimene tõsine samm selle suunas. kvantarvutid käegakatsutavate reaalsete rakendustegaPaljude kehade kvantsüsteemide täpse modelleerimise võimel on otsene mõju sellistele valdkondadele nagu arvutuskeemia, kus keerukate elektrooniliste interaktsioonide simuleerimine on klassikalise andmetöötluse jaoks peaaegu takistuseks.

Biomeditsiini valdkonnas tähendab see võimalust ravimikandidaatide molekulide ruumi palju tõhusamalt uuridaTuhandete ühendite pimesi testimise asemel võiks kvantarvuti aidata ennustada, millised struktuurid sobivad kõige paremini konkreetse bioloogilise sihtmärgiga, kiirendades neurodegeneratiivsete haiguste, vähi või muude keeruliste haiguste ravi väljatöötamist.

Materjaliteaduses kehtib sama loogika ka kujundada uusi ühendeid spetsiifiliste omadustegaStabiilsemad ülijuhid, suurema energiatihedusega akumaterjalid, täiustatud polümeerid või kergemad ja tugevamad sulamid. Kvantdünaamika kontroll mikroskoopilisel tasandil teeb vahet juhuslike kombinatsioonide testimise ja tulemuste peenhäälestamise vahel usaldusväärse simulatsiooni abil.

Lisaks kõigele sellele on potentsiaalne mõju sellistele valdkondadele nagu küberturvalisus. Kuigi Quantum Echoes ise ei ole suunatud krüpteeringute murdmisele, on see osa sama progressilaine, mis viib kvantmasinad lähemale kasulikkuseleTurvakogukond räägib juba strateegiast „korja nüüd, dekrüpteeri hiljem”: andmete varastamine täna, et need dekrüpteerida siis, kui on olemas kvantarvutid, mis suudavad murda praeguseid krüptograafilisi algoritme, mis on pannud selliseid organisatsioone nagu Euroopa Liit ja ENISA kavandama üleminekut postkvantsüsteemidele.

Geopoliitilisel tasandil sobib Google'i samm kokku Tihe konkurents selliste hiiglastega nagu IBM, Microsoft ja mitmed Hiina tegijadPlatvormid nagu Wukong Hiinas või IBM-i arendused ülijuhtivate kubitite ja pikaealiste loogikakubitite vallas näitavad, et keegi ei taha maha jääda. Google'i väidetav kontrollitav kvantne eelis on lisaks teaduslikule edusammule ka strateegiline sõnum ettevõtte positsiooni kohta selles võidujooksus.

Teadusringkondade praegused piirangud ja skeptitsism

See pole ainult ilutulestik. Kuigi Quantum Echoes'i eksperiment kujutab endast hüpet edasi varasematest verstapostidest, rõhutavad mitmed eksperdid, et Me oleme selgelt veel eksperimentaalses faasis.Praegu on demonstratsioonid läbi viidud suhteliselt väikeste molekulide ja kvantskeemidega, mis on küll muljetavaldavad, kuid siiski kaugel sellest, mida oleks vaja suuremahuliste tööstusprobleemide lahendamiseks.

Google'i enda kogutud hinnangute kohaselt on molekulide saamiseks, mis vajavad suurusjärgus 50 asjakohase keerukusega füüsilist kubittiSee nõuaks sadade tuhandete ja mitme miljoni kvantloogikavärava vahelist töötamist. See arv on palju suurem kui praegustes katsetes kasutatavad 792 väravat ja selles režiimis toimivad vea leevendamise tehnikad ei pruugi palju sügavamatele vooluringidele hästi skaleeruda.

Üks korduvaid kriitikanooli on see, et kuigi demonstratsioon näitab reaalset kvanteelist, Suure mõjuga praktilist kasutamist pole veel tõestatud.Teisisõnu, algoritm on küll valideerinud meetodeid ja uurinud süsteeme, mida saab käsitleda täiustatud klassikaliste tehnikatega, kuid see pole veel lahendanud probleemi, mis oli klassikalise andmetöötluse jaoks konkreetses tööstuslikus või meditsiinilises kontekstis täiesti kättesaamatu.

Lisaks on endiselt takistuseks veaparanduse küsimus. Suuremahuliste kvantarvutite käitamine nõuab Paljudest füüsilistest kubitidest ehitatud robustsed loogilised kubitidnii et üksikuid vigu saab tuvastada ja parandada ilma teavet kaotamata. Google on selle eesmärgi seadnud oma kvanttehnoloogia tegevuskava 3. verstapostiks: saavutada pikaajaline loogiline kubit, mis suudab vastu pidada keerukate algoritmide käitamise nõudmistele ilma krahhideta.

Vaatamata neile reservatsioonidele tunnistavad isegi kõige ettevaatlikumad hääled, et Kvantkajad võivad olla oluline eelnev samm praktilise kasulikkuse demonstreerimise suunas. Peamine on näha, kas teised laborid suudavad katset korrata, konkureerivaid klassikalisi algoritme täiustada ja ennekõike neid tehnikaid skaleerida süsteemidele, millel on rohkem kubiteid ja rohkem väravaid, ilma et vead hüppeliselt suureneks.

Suures plaanis on Quantum Echoes kujunemas... selge märk sellest, et kvantriistvara ja -tarkvara arenevad paralleelseltWillow demonstreerib, et on võimalik töötada piisavalt madala veamääraga, et võimaldada tundlikke ajapööramise protokolle, samal ajal avab algoritm ukse rakendustele, mis käsitlevad otseselt reaalse maailma füüsikalisi probleeme. Ees on veel pikk tee, kuid rakendusliku kvantarvutuse esimesed kajad hakkavad valjult kuulma.

Seotud artikkel:

Google AI ülevaated jõuab Hispaaniasse: mis see on ja kuidas see otsingut muudab