Kako funkcionira Googleov algoritam Quantum Echoes

Informatec Digital » Sredstva » Kako funkcionira Googleov algoritam Quantum Echoes

La Kvantno računanje više nije samo teorija da se počne uključivati ​​u razgovore o medicini, naprednim materijalima ili kibernetičkoj sigurnosti. Google godinama pokušava dokazati da njihova kvantna računala Ovo nisu samo privlačni prototipovi, već alati s primjenom u stvarnom svijetu. S algoritmom Quantum Echoes i njegovim Willow čipom, tvrtka tvrdi da je postigla jednu od onih prekretnica koje bi mogle promijeniti tempo ove tehnološke utrke.

Ovaj novi algoritam, tj. korelator izvan redoslijeda Osmišljen za proučavanje načina širenja kvantnih informacija u složenim sustavima, nije samo nevjerojatno brz: prema objavljenim podacima, radi oko 13 000 puta brže od najboljih klasičnih superračunala za ekvivalentan zadatak. Ali ono što je najzanimljivije jest da je to provjerljiv algoritam, što znači da se njegovi rezultati mogu ponoviti i provjeriti na drugim sličnim kvantnim uređajima - ključni faktor ako želimo da ova tehnologija prijeđe granice laboratorija.

Što je točno Kvantni odjeci i zašto svi pričaju o tome?

Kvantni odjeci su Kvantni algoritam tipa OTOC (Korelator izvan vremenskog reda). Njegova glavna funkcija je mjerenje kako se stanje kubita mijenja nakon što se kvantni sustav podvrgne nizu operacija, a zatim "premotavanje" njegove evolucije. U praksi djeluje kao termometar kvantnog kaosa: analizira kako se informacije raspršuju unutar skupa kubita mjerenjem veličina poput magnetizacije, gustoće, struja i brzine.

Google predlaže korištenje ovog algoritma kao svojevrsnog pažljivo dizajniran kvantni odjekPrvo, Willow čip prima složeni kvantni signal koji uzrokuje evoluciju sustava. Zatim se u određeni kubit uvodi mala perturbacija, a potom se izvršava obrnuti slijed operacija kako bi se pokušao poništiti proces. Na kraju cijelog ovog procesa, sustav vraća kvantni "odjek" početnog stanja, koji se, zahvaljujući konstruktivnoj interferenciji, pojačava i otkriva vrlo precizne informacije o tome što se dogodilo putem.

S teorijskog gledišta, ove vrste korelatora izvan redoslijeda koriste se za proučavanje kako se informacije miješaju i šire u izuzetno složenim sustavimakao što su modeli koji opisuju crne rupe ili egzotične kvantne materijale. Novost ovdje je da su, po prvi put, preneseni iz teorije u laboratorij s eksperimentom koji se može ponoviti i provjeriti, a koji također ukazuje na vrlo specifične fizičke primjene.

Google je ove rezultate predstavio u dva komplementarna rada: jednom objavljenom u PrirodaJedan rad usredotočuje se na demonstraciju algoritma i njegove provjerljive kvantne prednosti, dok je drugi, objavljen na arXiv repozitoriju, više orijentiran na potencijalne primjene u kemiji i spektroskopiji. Među potpisnicima članka u Natureu je Michel Devoret, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku za 2025. godinu i ključna osoba u razvoju supravodljivih kubita.

Prema riječima inženjera tvrtke, Kvantni odjeci rade 13.000 puta brže na Willow čipu koji je najbolji ekvivalentni klasični algoritam izvršava se na najmoćnijim superračunalima na svijetu. U praksi, ono što bi klasičnom stroju trebalo tisuće ili bilijune godina da riješi, Willow postiže za nekoliko minuta, prelazeći prag onoga što se smatra punopravnom kvantnom prednošću.

Osnove kvantnog računarstva za razumijevanje algoritma

Da biste dobili jasnu predodžbu o tome kako funkcioniraju kvantni odjeci, vrijedi zapamtiti da Kvantno računalo ne radi s klasičnim bitovima.ali s kubitima. Dok bit može biti samo 0 ili 1, kubit može biti u superpoziciji oba stanja istovremeno. To omogućuje skupu kubita da istovremeno predstavlja ogroman broj kombinacija nula i jedinica.

Kubiti se implementiraju manipuliranjem fizičkim sustavima kao što su fotoni, elektroni, zarobljeni ioni, atomi ili supravodljivi krugoviGoogle, kao i druge tvrtke, ulaže u supravodljive kubite, izravne potomke eksperimenata u makroskopskim kvantnim krugovima koje su pokrenuli Devoret i drugi istraživači 1980-ih. Ti kubiti mogu se ispreplesti, odnosno dijeliti zajedničko kvantno stanje i formirati kolektivne strukture gdje se vjerojatnosti kombiniraju poput valova.

U ovom kontekstu, kvantni algoritam nije ništa više od niz logičkih vrata koji se primjenjuju na mreža preklapajućih i isprepletenih kubitaKako se strujni krug razvija, amplitude vjerojatnosti se međusobno pojačavaju ili poništavaju interferencijom. Trik je u dizajniranju algoritma tako da se na kraju ispravna rješenja pojačaju i postanu najvjerojatnija prilikom mjerenja sustava.

Konstruktivna interferencija, jedan od ključeva kvantnih odjeka, javlja se kada kvantni valovi se poravnavaju u fazi i zbrajaju se umjesto da se međusobno poništavaju. Ako je sklop dobro dizajniran, ovaj efekt čini da se konačni "odjek" algoritma jasno ističe iz pozadinske buke i omogućuje vrlo osjetljivo očitavanje načina na koji se informacija širila u sustavu, čak i ako je međuproces bio vrlo kaotičan.

Sve ovo zvuči vrlo moćno, ali dolazi i s ozbiljnim problemom: krhkost kvantnih sustava suočenih s bukomMinimalne varijacije temperature, vibracije, elektromagnetsko zračenje ili vanjske smetnje mogu unijeti pogreške u kubite, poremetiti koherenciju sustava i uništiti izračun. Stoga su kvantna kontrola pogrešaka i smanjenje dekoherencije dva glavna izazova industrije.

Kako Quantum Echoes korak po korak funkcionira na Willow čipu

Vrba je posljednja Googleov supravodljivi kvantni čipI to je hardver na kojem radi Quantum Echoes. Ovaj procesor je već privukao pozornost dovršavajući testove uzorkovanja slučajnih sklopova za manje od pet minuta - zadatke koje konvencionalno superračunalo ne bi moglo obaviti ni u desecima septilijuna godina. S Quantum Echoesom, Willow ponovno zauzima središnje mjesto.

Osnovna shema algoritma može se shvatiti kao kvantno iskustvo "premotavanja vremena", iako Ništa se ne šalje u prošlostProces uključuje primjenu niza operacija na sustav, uvođenje male perturbacije u određeni kubit, a zatim izvršavanje istog niza obrnuto s izuzetnom preciznošću. Ako je sve pravilno podešeno, sustav se vraća blizu svog izvornog stanja i oslobađa interferometrijski odjek koji sadrži mnoštvo informacija.

Vrlo pojednostavljeno, postupak slijedi tri glavne faze: prva, a dobro kontrolirano početno stanje u skupu kubitaZatim se tom stanju dopušta da se razvija kroz niz kvantnih vrata koja ga čine vrlo složenim i kaotičnim; konačno se izvršava vremenska obrnutost kruga, kubit se mijenja usred procesa i promatra se kako ta perturbacija utječe na konačni odjek.

Ljepota ove postavke je u tome što jeka izmjerena na kraju nije slab odraz, već signal pojačan pomoću konstruktivna interferencijaUpravo zbog toga, tehnika je izuzetno osjetljiva na male promjene u unutarnjoj dinamici sustava. Google je iskoristio tu osjetljivost kako bi eksponencijalno smanjio efektivnu stopu pogrešaka čipa, postižući rezultate ispod praga na kojem ispravljanje pogrešaka velikih razmjera postaje održivo.

U nekim od opisanih eksperimenata, kvantni stroj je uspio riješiti problem za nešto više od dva sata, dok bi superračunalo Frontier - jedno od najmoćnijih na svijetu - trebalo oko 3,2 godine neprekidnog rada na računalu za izvršavanje ekvivalentnog klasičnog koda. Ovaj ogromni jaz u performansama, zajedno s činjenicom da se rezultat može ponoviti na Willowu ili drugim uređajima slične kvalitete, osnova je takozvane „provjerljive kvantne prednosti“.

Nadalje, protokol koji koristi Google To ne ostaje jednostavna vježba kvantne nadmoći bez primjeneZa razliku od prethodnih eksperimenata, koji su se usredotočili na umjetne matematičke probleme koje je teško prenijeti u stvarni svijet, ovdje se algoritam koristi za simuliranje vrlo specifičnih fizičkih procesa: struktura i dinamika stvarnih molekula također su proučavane nuklearnom magnetskom rezonancijom.

Provjerljiva kvantna prednost: zašto je ovaj proboj drugačiji

Do sada su mnoge najave „kvantne nadmoći“ bile kritizirane jer Nije bilo jasno kako neovisno provjeriti rezultate niti kakvu su praktičnu upotrebu imali riješeni problemi. Googleova prekretnica iz 2019., na primjer, sastojala se od izvođenja izračuna na slučajnom uzorkovanju sklopa koji nijedno superračunalo nije moglo replicirati u razumnom vremenu, ali koji također nije imao upotrebu izvan laboratorija.

S Quantum Echoesom, tvrtka pokušava riješiti tu debatu eksperimentom koji je od samog početka osmišljen da bude provjerljivo i ponoviti trik svima koji ga želeAlgoritam je implementiran s parametrima i konfiguracijama koje druge istraživačke skupine, sa usporedivim kvantnim hardverom, mogu pokušati replicirati. Nadalje, rezultati kvantne simulacije uspoređuju se s klasičnim fizikalnim mjerenjima dobivenim korištenjem dobro utvrđenih tehnika.

„Kvantna provjerljivost“ koju tvrdi Google počiva na dva stupa: prvo, činjenici da se izračuni mogu reproducirati na drugim sličnim kvantnim strojevima; drugo, mogućnosti usporedite izlaz algoritma s eksperimentalnim podacima nuklearna magnetska rezonancija ili klasične simulacije u slučajevima gdje su još uvijek izvedive. Ova dvostruka validacija daje težinu tvrdnji da se ne radi samo o matematičkom triku koji je teško provjeriti.

Da bi ovakva demonstracija bila moguća, hardver se mora kombinirati brze operacije s izuzetno niskim stopama pogrešakaSvako odstupanje u sekvenci vremenskog obrata uništava konačni odjek. Činjenica da je Willow uspio prevladati ovaj izazov bez kolapsa implicira da je kontrola nad supravodljivim kubitima dosegla izvanrednu razinu, daleko zreliju nego prije samo nekoliko godina.

Unatoč tome, nekoliko stručnjaka poziva na oprez. Istraživači poput Carlosa Sabína s Odjela za teorijsku fiziku Autonomnog sveučilišta u Madridu ističu da Druge kvantne prednosti su već najavljene, a naknadno su i kvalificirane. Dok su druge skupine usavršile klasične algoritme ili pronašle načine za aproksimaciju rezultata pomoću konvencionalnih računala, znanstvena zajednica sada provjerava u kojoj mjeri Googleov eksperiment označava čvrstu granicu.

Primjena u kemiji: molekule, NMR i san o „kvantoskopu“

Jedan od najupečatljivijih aspekata kvantnih odjeka je njihova upotreba kao alata za kemijska simulacija i kvantna spektroskopijaU suradnji sa Sveučilištem Kalifornija u Berkeleyju, Google je pokrenuo algoritam na Willowu kako bi proučio dvije molekule: jednu s 15 atoma i drugu s 28, koristeći eksperimentalne podatke nuklearne magnetske rezonancije (NMR) kao točku usporedbe.

Magnetska rezonancija (MRI), spektroskopski rođak medicinske magnetske rezonancije, djeluje kao Molekularni mikroskop temeljen na magnetskim "spinovima" atomskih jezgri. Detekcijom kako ti spinovi reagiraju na magnetska polja i radiofrekvencijske signale, znanstvenici mogu zaključiti relativni položaj atoma i, posljedično, strukturu molekule. To je temeljni alat u kemiji, biologiji i znanosti o materijalima.

Problem je u tome što, kada molekule postanu velike ili interakcije između spinova postanu složenije, Klasične metode za interpretaciju NMR podataka postaju izuzetno skupe S računalnog gledišta. Tu nastupaju Quantum Echoes: njegova sposobnost praćenja unutarnje kvantne dinamike kaotičnog sustava omogućuje mu učinkovitije modeliranje interakcija između spinova na velikim udaljenostima.

U dokazu koncepta provedenom s Berkeleyjem, rezultati dobiveni kvantnim algoritmom Podudarala su se s tradicionalnim MRI mjerenjima. za obje molekule, što je predstavljalo prvu snažnu validaciju pristupa. No osim toga, kvantna analiza otkrila je daljnje detalje o dinamici spina koji se inače ne mogu dobiti klasičnim tehnikama, što ukazuje na veću osjetljivost.

Istraživači poput Ashoka Ajoya, suradnika s Google Quantum AI i profesora na Berkeleyju, već govore o budućnosti „Kvantna spektroskopija“ sposobna za prevazilaženje trenutnih granicaU ovom scenariju, kombinacija eksperimentalnog NMR-a s kvantnim algoritmima poput Quantum Echoes mogla bi postati vrhunski alat za otkrivanje novih lijekova, bolje razumijevanje složenih bolesti poput Alzheimerove bolesti ili dizajniranje naprednih materijala za baterije, polimere ili čak same supravodljive kubite.

Potencijalni utjecaj na medicinu, znanost o materijalima i druge industrije

Ako se Googleova obećanja ostvare, Quantum Echoes bi mogao biti prvi ozbiljan korak prema kvantna računala s opipljivim primjenama u stvarnom svijetuSposobnost preciznog modeliranja kvantnih sustava s više tijela ima izravne implikacije u područjima poput računalne kemije, gdje je simuliranje složenih elektroničkih interakcija gotovo preprekomeran problem za klasično računarstvo.

U biomedicinskom području, to se prevodi u mogućnost mnogo učinkovitije istražiti prostor molekula kandidata za lijekoveUmjesto slijepog testiranja tisuća spojeva, kvantno računalo moglo bi pomoći u predviđanju koje strukture najbolje odgovaraju određenoj biološkoj meti, ubrzavajući razvoj tretmana za neurodegenerativne bolesti, rak ili druge složene bolesti.

U znanosti o materijalima, ista logika vrijedi i za dizajnirati nove spojeve sa specifičnim svojstvimaStabilniji supravodiči, materijali za baterije s većom gustoćom energije, napredni polimeri ili lakše i jače legure. Kontrola nad kvantnom dinamikom na mikroskopskoj razini čini razliku između testiranja slučajnih kombinacija i finog podešavanja rezultata pouzdanom simulacijom.

Svemu tome dodaje se potencijalni utjecaj na područja poput kibernetičke sigurnosti. Iako sam Quantum Echoes nije usmjeren na probijanje enkripcije, dio je isti val napretka koji kvantne strojeve približava korisnostiSigurnosna zajednica već govori o strategiji "prikupi sada, dešifriraj kasnije": krađa podataka danas kako bi se dešifrirali kada postoje kvantna računala koja su sposobna probiti trenutne kriptografske algoritme, što je navelo organizacije poput Europske unije i ENISA-e da planiraju prijelaz na postkvantne sustave.

Na geopolitičkoj razini, Googleov potez uklapa se u Žestoka konkurencija s divovima poput IBM-a, Microsofta i nekoliko kineskih igračaPlatforme poput Wukonga u Kini ili IBM-ovog razvoja supravodljivih kubita i dugovječnih logičkih kubita pokazuju da nitko ne želi zaostati. Provjerljiva kvantna prednost koju Google tvrdi je, osim znanstvenog napretka, strateška poruka o njegovoj poziciji u ovoj utrci.

Trenutna ograničenja i skepticizam unutar znanstvene zajednice

Nije sve vatromet. Iako eksperiment Quantum Echoes predstavlja skok naprijed u odnosu na prethodne prekretnice, nekoliko stručnjaka naglašava da Očito smo još uvijek u eksperimentalnoj fazi.Za sada su demonstracije provedene s relativno malim molekulama i kvantnim krugovima koji su, iako impresivni, još uvijek daleko od onoga što bi bilo potrebno za rješavanje velikih industrijskih problema.

Prema procjenama koje je prikupio sam Google, za dosezanje molekula kojima je potrebno reda veličine 50 fizičkih kubita relevantne složenostiTo bi zahtijevalo pokretanje između stotina tisuća i nekoliko milijuna kvantnih logičkih vrata. Taj broj je daleko iznad 792 vrata koja se koriste u trenutnim eksperimentima, a tehnike ublažavanja pogrešaka koje rade u ovom režimu možda se neće dobro skalirati na puno dublje sklopove.

Jedna od ponavljajućih kritika je da, iako demonstracija pokazuje stvarnu kvantnu prednost, Praktična upotreba s visokim utjecajem još nije dokazanaDrugim riječima, algoritam je poslužio za validaciju metoda i proučavanje sustava koji se mogu rješavati poboljšanim klasičnim tehnikama, ali još nije riješio problem koji je bio potpuno nedostižan za klasično računarstvo u specifičnom industrijskom ili medicinskom kontekstu.

Nadalje, pitanje ispravljanja pogrešaka ostaje prepreka. Rad velikih kvantnih računala zahtijeva Robusni logički kubiti izgrađeni od mnogih fizičkih kubitakako bi se pojedinačne pogreške mogle otkriti i ispraviti bez gubitka informacija. Google je ovaj cilj identificirao kao treću prekretnicu svog kvantnog plana: postizanje dugovječnog logičkog kubita koji može izdržati zahtjeve pokretanja složenih algoritama bez rušenja.

Unatoč tim rezervama, čak i najoprezniji glasovi priznaju da Kvantni odjeci mogli bi biti važan preliminarni korak u smjeru demonstracije praktične korisnosti. Ključno će biti vidjeti mogu li drugi laboratoriji reproducirati eksperiment, poboljšati konkurentske klasične algoritme i, prije svega, skalirati ove tehnike na sustave s više kubita i više vrata bez naglog porasta pogrešaka.

Gledajući širu sliku, Quantum Echoes se oblikuje u jasan znak da kvantni hardver i softver napreduju paralelnoWillow pokazuje da je moguće raditi s dovoljno niskim stopama pogrešaka da omoguće osjetljive protokole za obrnuto vrijeme, dok algoritam otvara vrata primjenama koje se izravno bave stvarnim fizičkim problemima. Pred nama je još dug put, ali prvi odjeci primijenjenog kvantnog računarstva počinju se glasno čuti.

Povezani članak:

Google AI Overviews stiže u Španjolsku: što je to i kako mijenja pretraživanje