Näin Googlen Quantum Echoes -algoritmi toimii

Informatec Digital » Resurssit » Näin Googlen Quantum Echoes -algoritmi toimii

La kvanttilaskenta ei ole enää vain teoriaa alkaa osallistua keskusteluihin lääketieteestä, edistyneistä materiaaleista tai kyberturvallisuudesta. Google on yrittänyt vuosien ajan osoittaa, että heidän kvanttitietokoneensa Nämä eivät ole vain katseenvangitsevia prototyyppejä, vaan työkaluja, joilla on tosielämän sovelluksia. Quantum Echoes -algoritmin ja sen Willow-sirun avulla yritys väittää saavuttaneensa yhden niistä virstanpylväistä, jotka voisivat muuttaa tämän teknologisen kilpailun vauhtia.

Tämä uusi algoritmi, epäjärjestyksessä oleva korrelaattori Kvantti-informaation etenemisen tutkimiseen monimutkaisissa järjestelmissä suunniteltu algoritmi ei ole vain uskomattoman nopea: julkaistujen tietojen mukaan se toimii noin 13 000 kertaa nopeammin kuin parhaat klassiset supertietokoneet vastaavassa tehtävässä. Mutta mielenkiintoisinta on, että se on todennettavissa oleva algoritmi, mikä tarkoittaa, että sen tuloksia voidaan toistaa ja tarkistaa muilla vastaavilla kvanttilaitteilla – avaintekijä, jos haluamme tämän teknologian siirtyvän laboratorion ulkopuolelle.

Mikä Quantum Echoes oikeastaan ​​on ja miksi kaikki puhuvat siitä?

Kvanttikaiut ovat OTOC-tyyppinen kvanttialgoritmi (Aikajärjestyksen ulkopuolinen korrelaattori). Sen päätehtävänä on mitata, miten kubitin tila muuttuu sen jälkeen, kun kvanttijärjestelmälle on suoritettu sarja toimintoja ja sen kehitys on sitten "kelattu takaisin". Käytännössä se toimii kvanttikaaoksen lämpömittarina: se analysoi, miten informaatio on jakautunut kubittijoukon sisällä mittaamalla suureita, kuten magnetisaatiota, tiheyttä, virtoja ja nopeutta.

Google ehdottaa tämän algoritmin käyttämistä eräänlaisena huolellisesti suunniteltu kvanttikaikuEnsin Willow-siru vastaanottaa monimutkaisen kvanttisignaalin, joka saa järjestelmän kehittymään. Sitten tiettyyn kubittiin kohdistetaan pieni perturbaatio, ja sen jälkeen suoritetaan käänteinen operaatiosarja prosessin kumoamiseksi. Koko prosessin lopussa järjestelmä palauttaa alkutilan kvantti"kaiun", joka konstruktiivisen interferenssin ansiosta vahvistetaan ja paljastaa erittäin tarkkaa tietoa siitä, mitä matkan varrella on tapahtunut.

Teoreettisesta näkökulmasta tämäntyyppisiä epäjärjestyksessä olevia korrelaattoreita käytetään tutkimaan miten tieto sekoittuu ja leviää erittäin monimutkaisissa järjestelmissäkuten mustia aukkoja tai eksoottisia kvanttimateriaaleja kuvaavia malleja. Uutta tässä on se, että ne on ensimmäistä kertaa viety teoriasta laboratorioon kokeella, joka voidaan toistaa ja todentaa, ja joka viittaa myös hyvin erityisiin fysikaalisiin sovelluksiin.

Google on esitellyt nämä tulokset kahdessa toisiaan täydentävässä artikkelissa, joista toinen julkaistiin vuonna luontoYksi artikkeli keskittyy algoritmin ja sen todennettavissa olevan kvanttiedun demonstrointiin, kun taas toinen, arXiv-arkistoon julkaistu artikkeli on enemmän suuntautunut mahdollisiin sovelluksiin kemiassa ja spektroskopiassa. Nature-artikkelin allekirjoittajien joukossa on Michel Devoret, vuoden 2025 fysiikan Nobel-palkinnon voittaja ja suprajohtavien kubitien kehittämisen avainhenkilö.

Yrityksen insinöörien mukaan Quantum Echoes toimii 13 000 kertaa nopeammin Willow-sirun päällä, joka on paras vastaava klassinen algoritmi toteutettu maailman tehokkaimmilla supertietokoneilla. Käytännössä Willow saavuttaa sen, minkä ratkaiseminen klassisella koneella veisi tuhansia tai biljoonia vuosia, muutamassa minuutissa, ylittäen siten täysimittaisen kvanttiedun kynnyksen.

Kvanttilaskennan perusteet algoritmin ymmärtämiseksi

Saadaksesi selkeän käsityksen siitä, miten Quantum Echoes toimii, on syytä muistaa, että Kvanttitietokone ei toimi klassisilla biteillä.mutta kubiteilla. Vaikka bitti voi olla vain 0 tai 1, kubitti voi olla molempien tilojen superpositiossa samanaikaisesti. Tämä mahdollistaa sen, että joukko kubitteja voi samanaikaisesti edustaa valtavaa määrää nollien ja ykkösten yhdistelmiä.

Kubitit toteutetaan manipuloimalla fyysisiä järjestelmiä, kuten fotonit, elektronit, loukkuun jääneet ionit, atomit tai suprajohtavat piiritGoogle, kuten muutkin yritykset, investoi suprajohtaviin kubitteihin, jotka ovat Devoretin ja muiden tutkijoiden 1980-luvulla aloittamien makroskooppisten kvanttipiirien kokeiden suoria jälkeläisiä. Nämä kubitit voivat kietoutua toisiinsa eli jakaa yhteisen kvanttitilan ja muodostaa kollektiivisia rakenteita, joissa todennäköisyydet yhdistyvät kuin aallot.

Tässä yhteydessä kvanttialgoritmi ei ole muuta kuin logiikkaporttien sarja joita sovelletaan johonkin päällekkäisten ja toisiinsa kietoutuneiden kubitien verkkoPiirin kehittyessä todennäköisyysamplitudit joko vahvistavat tai kumoavat toisensa interferenssin kautta. Temppu on suunnitella algoritmi siten, että lopulta oikeat ratkaisut vahvistuvat ja niistä tulee todennäköisimpiä järjestelmää mitattaessa.

Rakentava interferenssi, yksi kvanttikaikujen avaimista, tapahtuu, kun kvanttiaallot asettuvat vaiheeseen ja ne summautuvat sen sijaan, että ne kumoaisivat toisensa. Jos piiri on hyvin suunniteltu, tämä ilmiö saa algoritmin lopullisen "kaiun" erottumaan selvästi taustamelusta ja mahdollistaa erittäin herkän tulkinnan siitä, miten tieto on edennyt järjestelmässä, vaikka välivaihe olisi ollut hyvin kaoottinen.

Kaikki tämä kuulostaa erittäin voimakkaalta, mutta siihen liittyy myös vakava ongelma: kvanttijärjestelmien hauraus kohinan edessäMinimaaliset lämpötilan, värähtelyjen, sähkömagneettisen säteilyn tai ulkoisten häiriöiden vaihtelut voivat aiheuttaa virheitä kubitteihin, rikkoa järjestelmän koherenssin ja pilata laskennan. Siksi kvanttivirheiden hallinta ja dekoherenssin vähentäminen ovat kaksi alan suurimmista haasteista.

Miten Quantum Echoes toimii vaihe vaiheelta Willow-sirulla

Willow on viimeinen Googlen suprajohtava kvanttisiruJa se on laitteisto, jolla Quantum Echoes toimii. Tämä prosessori on jo herättänyt huomiota suorittamalla satunnaisten piirien näytteistystestejä alle viidessä minuutissa – tehtäviä, joita perinteinen supertietokone ei olisi pystynyt suorittamaan kymmeniin seitsimiljooniin vuosiin. Quantum Echoesin myötä Willow on jälleen kerran keskeisessä asemassa.

Algoritmin perusrakenne voidaan ymmärtää kvanttimaisena "ajan kelaamisen" kokemuksena, vaikkakin Mitään ei lähetetä menneisyyteenProsessiin kuuluu järjestelmän toiminnan suorittaminen sarjana, pienen perturbaation tekeminen tiettyyn kubittiin ja saman sarjan suorittaminen käänteisessä järjestyksessä äärimmäisen tarkasti. Jos kaikki on viritetty oikein, järjestelmä palaa lähelle alkuperäistä tilaansa ja vapauttaa interferometrisen kaiun, joka sisältää runsaasti tietoa.

Hyvin yksinkertaistetusti menettelyssä on kolme päävaihetta: ensin hyvin kontrolloitu alkutila kubittijoukossaSitten tuon tilan annetaan kehittyä kvanttiporttien sarjan läpi, jotka tekevät siitä erittäin monimutkaisen ja kaoottisen; lopuksi piirin aikakäännös suoritetaan, kubittia muutetaan prosessin keskellä ja tarkkaillaan, miten tämä häiriö vaikuttaa lopulliseen kaikuun.

Tämän järjestelyn kauneus piilee siinä, että lopussa mitattu kaiku ei ole heikko heijastus, vaan signaali, jota vahvistaa rakentava interferenssiJuuri tästä syystä tekniikka on erittäin herkkä pienille muutoksille järjestelmän sisäisessä dynamiikassa. Google on hyödyntänyt tätä herkkyyttä pienentääkseen sirun tehollista virhesuhdetta eksponentiaalisesti, saavuttaen tuloksia, jotka ovat alle kynnyksen, jolla laajamittainen virheenkorjaus on mahdollinen.

Joissakin kuvatuista kokeista kvanttikone pystyi ratkaisemaan ongelman hieman yli kahdessa tunnissa, kun taas Frontier-supertietokone – yksi maailman tehokkaimmista – olisi tarvinnut noin 3,2 vuotta jatkuvaa laskentaa suorittamaan vastaavaa klassista koodia. Tämä valtava suorituskykyero yhdistettynä siihen tosiasiaan, että tulos voidaan toistaa Willow'lla tai muilla vastaavan laatuisilla laitteilla, on niin kutsutun "todennettavissa olevan kvanttiedun" perusta.

Lisäksi Googlen käyttämä protokolla Se ei jää yksinkertaiseksi kvanttiylivallan harjoitukseksi ilman sovellustaToisin kuin aiemmissa kokeissa, jotka keskittyivät keinotekoisiin matemaattisiin ongelmiin, joita on vaikea kääntää todelliseen maailmaan, tässä algoritmia käytetään simuloimaan hyvin spesifisiä fysikaalisia prosesseja: todellisten molekyylien rakennetta ja dynamiikkaa tutkittiin myös ydinmagneettisella resonanssilla.

Todennettavissa oleva kvanttietu: miksi tämä läpimurto on erilainen

Tähän asti monet "kvanttiylivoiman" julistukset olivat saaneet kritiikkiä, koska Oli epäselvää, miten tulokset voitaisiin varmistaa itsenäisesti. eikä sitä, mitä käytännön hyötyä ratkaistuista ongelmista oli. Esimerkiksi Googlen vuoden 2019 virstanpylväs koostui satunnaisella piirinäytteenotolla suoritetusta laskelmasta, jota mikään supertietokone ei pystyisi toistamaan kohtuullisessa ajassa, mutta jolla ei ollut myöskään käyttöä laboratorion ulkopuolella.

Quantum Echoes -projektissaan yritys pyrkii ratkaisemaan tämän keskustelun kokeilulla, joka on alusta alkaen suunniteltu olemaan todennettavissa ja toista temppu kenelle tahansa, joka sitä haluaaAlgoritmi on toteutettu parametreilla ja konfiguraatioilla, joita muut tutkimusryhmät voivat yrittää toistaa vastaavalla kvanttilaitteistolla. Lisäksi kvanttisimulaation tuloksia verrataan klassisiin fysikaalisiin mittauksiin, jotka on saatu vakiintuneilla tekniikoilla.

Googlen väittämä ”kvanttitodennettavuus” perustuu kahteen pilariin: ensinnäkin siihen, että laskelmat voidaan toistaa muilla vastaavilla kvanttilaitteilla; toiseksi siihen mahdollisuuteen, että vertaa algoritmin tuotosta kokeellisiin tietoihin ydinmagneettikuvaus tai klassiset simulaatiot tapauksissa, joissa ne ovat vielä mahdollisia. Tämä kaksinkertainen validointi antaa painoarvoa väitteelle, että kyse ei ole vain vaikeasti todennettavasta matemaattisesta tempusta.

Jotta tämäntyyppinen demonstraatio olisi mahdollista, laitteiston on yhdistettävä nopeat toiminnot erittäin alhaisilla virheprosenteillaMikä tahansa poikkeama aikakäännössekvenssissä pilaa lopullisen kaiun. Se, että Willow pystyi voittamaan tämän haasteen romahtamatta, viittaa siihen, että suprajohtavien kubitien hallinta on saavuttanut merkittävän tason, paljon kypsämmän kuin vain muutama vuosi sitten.

Silti useat asiantuntijat kehottavat varovaisuuteen. Tutkijat, kuten Carlos Sabín Madridin autonomisen yliopiston teoreettisen fysiikan laitokselta, huomauttavat, että Muita kvanttihyötyjä on jo ilmoitettu, ja ne on myöhemmin pätevöitetty. Vaikka muut ryhmät ovat jalostaneet klassisia algoritmeja tai löytäneet tapoja arvioida tuloksia perinteisten tietokoneiden avulla, tiedeyhteisö on nyt selvittämässä, missä määrin Googlen kokeilu merkitsee selkeää rajaa.

Sovellus kemiassa: molekyylit, NMR ja unelma "kvantoskoopista"

Yksi Quantum Echoesin silmiinpistävimmistä puolista on sen käyttö työkaluna kemiallinen simulointi ja kvanttispektroskopiaGoogle on yhteistyössä Kalifornian yliopiston Berkeleyn kanssa ajanut algoritmin Willow'lla tutkiakseen kahta molekyyliä: toista, jossa on 15 atomia ja toista, jossa on 28 atomia, käyttäen kokeellista ydinmagneettista resonanssia (NMR) vertailukohtana.

MRI, lääketieteellisen magneettikuvauksen spektroskooppinen serkku, toimii magneettisiin "spineihin" perustuva molekyylimikroskooppi atomiytimistä. Havaitsemalla, miten nämä spinit reagoivat magneettikenttiin ja radiotaajuussignaaleihin, tiedemiehet voivat päätellä atomien suhteellisen sijainnin ja siten molekyylin rakenteen. Se on perustavanlaatuinen työkalu kemiassa, biologiassa ja materiaalitieteessä.

Ongelmana on, että kun molekyylit kasvavat suuriksi tai spinien väliset vuorovaikutukset monimutkaistuvat, Klassiset NMR-datan tulkintamenetelmät tulevat erittäin kalliiksi Laskennallisesta näkökulmasta. Tässä kohtaa Quantum Echoes astuu kuvaan: sen kyky seurata kaoottisen järjestelmän sisäistä kvanttidynamiikkaa mahdollistaa spinien välisten vuorovaikutusten tehokkaamman mallintamisen pitkillä etäisyyksillä.

Berkeleyn kanssa tehdyssä konseptitodistuksessa kvanttialgoritmilla saadut tulokset Ne osuivat yksiin perinteisten magneettikuvausmittausten kanssa. molemmille molekyyleille, mikä edusti lähestymistavan ensimmäistä vahvaa validointia. Mutta lisäksi kvanttianalyysi paljasti spin-dynamiikasta lisätietoja, joita ei normaalisti voida saada klassisilla tekniikoilla, mikä viittaa suurempaan herkkyyteen.

Tutkijat, kuten Ashok Ajoy, Google Quantum AI:n yhteistyökumppani ja Berkeleyn yliopiston professori, puhuvat jo tulevaisuudesta. "Kvanttispektroskopia", joka kykenee ylittämään nykyiset rajatTässä skenaariossa kokeellisen NMR:n ja kvanttialgoritmien, kuten Quantum Echoesin, yhdistäminen voisi olla huipputason työkalu uusien lääkkeiden löytämiseen, monimutkaisten sairauksien, kuten Alzheimerin taudin, parempaan ymmärtämiseen tai edistyneiden materiaalien suunnitteluun akuille, polymeereille tai jopa itse suprajohtaville kubiteille.

Mahdollinen vaikutus lääketieteeseen, materiaalitieteeseen ja muihin teollisuudenaloihin

Jos Googlen lupaukset toteutuvat, Quantum Echoes voisi olla ensimmäinen vakava askel kohti kvanttitietokoneet konkreettisilla reaalimaailman sovelluksillaKyky mallintaa tarkasti monikappaleisia kvanttijärjestelmiä on suora vaikutus esimerkiksi laskennallisen kemian aloilla, joilla monimutkaisten elektronisten vuorovaikutusten simulointi on lähes kohtuuton ongelma klassiselle laskennalle.

Biolääketieteen alalla tämä tarkoittaa mahdollisuutta, että tutkia lääkeainekandidaattimolekyylien tilaa paljon tehokkaamminSen sijaan, että kvanttitietokone testaisi sokkona tuhansia yhdisteitä, se voisi auttaa ennustamaan, mitkä rakenteet sopivat parhaiten tiettyyn biologiseen kohteeseen, mikä nopeuttaa neurodegeneratiivisten sairauksien, syövän tai muiden monimutkaisten sairauksien hoitojen kehittämistä.

Materiaalitieteessä sama logiikka pätee mm. suunnitella uusia yhdisteitä, joilla on erityisiä ominaisuuksiaVakaammat suprajohteet, korkeamman energiatiheyden omaavat akkumateriaalit, edistyneet polymeerit tai kevyemmät ja vahvemmat seokset. Kvanttidynamiikan hallinta mikroskooppisella tasolla tekee eron satunnaisten yhdistelmien testaamisen ja tulosten hienosäädön välillä luotettavalla simulaatiolla.

Kaiken tämän lisäksi sillä on potentiaalinen vaikutus esimerkiksi kyberturvallisuuteen. Vaikka Quantum Echoes itsessään ei ole tarkoitettu salauksen murtamiseen, se on osa sama edistysaalto, joka tuo kvanttikoneet lähemmäksi hyödyllisyyttäTietoturvayhteisö puhuu jo "sadonkorjuu nyt, salauksen purkaminen myöhemmin" -strategiasta: datan varastaminen tänään sen salauksen purkamiseksi, kun kvanttitietokoneita on olemassa, jotka pystyvät murtamaan nykyiset kryptografiset algoritmit. Tämä on johtanut siihen, että organisaatiot, kuten Euroopan unioni ja ENISA, suunnittelevat siirtymistä post-kvanttijärjestelmiin.

Geopoliittisella tasolla Googlen siirto sopii yhteen Kovaa kilpailua jättiläisten, kuten IBM:n, Microsoftin ja useiden kiinalaisten toimijoiden kanssaKiinan Wukongin kaltaiset alustat tai IBM:n kehitys suprajohtavissa kubiteissa ja pitkäikäisissä logiikkakubiteissa osoittavat, ettei kukaan halua jäädä jälkeen. Googlen väittämä todennettavissa oleva kvanttietu on tieteellisen edistysaskeleen lisäksi strateginen viesti sen asemasta tässä kilpailussa.

Tiedeyhteisön nykyiset rajoitukset ja skeptisyys

Kyse ei ole pelkästään ilotulituksesta. Vaikka Quantum Echoes -kokeilu on harppaus eteenpäin aiempiin virstanpylväisiin verrattuna, useat asiantuntijat korostavat, että Olemme selvästi vielä kokeiluvaiheessa.Toistaiseksi demonstraatiot on tehty suhteellisen pienillä molekyyleillä ja kvanttipiireillä, jotka ovat vaikuttavia, mutta silti kaukana siitä, mitä tarvittaisiin laajamittaisten teollisten ongelmien ratkaisemiseen.

Googlen itsensä keräämien arvioiden mukaan molekyylien saavuttamiseksi, jotka vaativat luokkaa 50 fyysistä kubittia, joiden monimutkaisuus on relevanttiaTämä vaatisi satojen tuhansien ja useiden miljoonien kvanttilogiikkaporttien käyttöä. Tämä luku on paljon suurempi kuin nykyisissä kokeissa käytetyt 792 porttia, ja tässä tilassa toimivat virheenlievitystekniikat eivät välttämättä skaalaudu hyvin paljon syvempiin piireihin.

Yksi toistuvista kritiikeistä on, että vaikka demonstraatio osoittaa todellisen kvanttiedun, Vaikuttavaa käytännön käyttöä ei ole vielä todistettuToisin sanoen algoritmi on auttanut validoimaan menetelmiä ja tutkimaan järjestelmiä, joita voidaan käsitellä parannetuilla klassisilla tekniikoilla, mutta se ei ole vielä ratkaissut ongelmaa, joka oli täysin saavuttamaton klassiselle laskennalle tietyssä teollisessa tai lääketieteellisessä kontekstissa.

Lisäksi virheiden korjauksen ongelma on edelleen haaste. Suurten kvanttitietokoneiden käyttö vaatii Vankat loogiset kubitit, jotka on rakennettu useista fyysisistä kubiteistajotta yksittäiset virheet voidaan havaita ja korjata menettämättä tietoa. Google on määritellyt tämän tavoitteen kvanttikehityssuunnitelmansa kolmanneksi virstanpylvääksi: saavuttaa pitkäikäinen logiikkakubitti, joka kestää monimutkaisten algoritmien suorittamisen vaatimukset kaatumatta.

Näistä varauksista huolimatta jopa varovaisimmat äänet myöntävät, että Kvanttikaiut voivat olla tärkeä alustava askel käytännön hyödyllisyyden osoittamisen suuntaan. Keskeistä on nähdä, pystyvätkö muut laboratoriot toistamaan kokeen, parantamaan kilpailevia klassisia algoritmeja ja ennen kaikkea skaalaamaan näitä tekniikoita järjestelmiin, joissa on enemmän kubitteja ja portteja, ilman että virheet lisääntyvät räjähdysmäisesti.

Kokonaiskuvaa katsottuna Quantum Echoesista on tulossa selkeä merkki siitä, että kvanttilaitteisto ja -ohjelmistot kehittyvät rinnakkainWillow osoittaa, että on mahdollista toimia riittävän alhaisilla virhesuhteilla, jotka mahdollistavat herkät aikakäännösprotokollat, samalla kun algoritmi avaa oven sovelluksille, jotka ratkaisevat suoraan reaalimaailman fyysisiä ongelmia. Edessä on vielä pitkä tie, mutta sovelletun kvanttilaskennan ensimmäiset kaiut alkavat kuulua voimakkaasti.

Aiheeseen liittyvä artikkeli:

Google AI Overviews saapuu Espanjaan: mitä se on ja miten se muuttaa hakua