Hogyan működik a Google Quantum Echoes algoritmusa?

Informatec Digital » Erőforrás » Hogyan működik a Google Quantum Echoes algoritmusa?

La A kvantumszámítástechnika már nem csak elmélet hogy elkezdjen beavatkozni az orvostudományról, a fejlett anyagokról vagy a kiberbiztonságról szóló párbeszédekbe. A Google évek óta próbálja ezt bebizonyítani a kvantumszámítógépeik Ezek nem csupán szemet gyönyörködtető prototípusok, hanem valós alkalmazásokkal rendelkező eszközök. A Quantum Echoes algoritmussal és a Willow chippel a vállalat azt állítja, hogy elérte azon mérföldkövek egyikét, amelyek megváltoztathatják a technológiai verseny ütemét.

Ez az új algoritmus, egy sorrenden kívüli korrelátor A kvantuminformáció komplex rendszerekben való terjedésének tanulmányozására tervezett algoritmus nemcsak hihetetlenül gyors: a publikált adatok szerint körülbelül 13 000-szer gyorsabban működik, mint a legjobb klasszikus szuperszámítógépek egy hasonló feladat elvégzésére. De a legérdekesebb az, hogy ez egy ellenőrizhető algoritmus, ami azt jelenti, hogy az eredményei megismételhetők és ellenőrizhetők más hasonló kvantumeszközökön – ez kulcsfontosságú tényező, ha azt akarjuk, hogy ez a technológia túlmutatjon a laboratóriumon.

Mi is pontosan a Quantum Echoes, és miért beszél róla mindenki?

A Quantum Echoes egy OTOC-típusú kvantumalgoritmus (Időn kívüli sorrendű korrelátor). Fő funkciója annak mérése, hogy egy qubit állapota hogyan változik, miután egy kvantumrendszert egy sor műveletnek vetnek alá, majd „visszatekerik” az evolúcióját. A gyakorlatban a kvantumkáosz hőmérőjeként működik: elemzi, hogyan oszlik el az információ egy qubit-halmazon belül olyan mennyiségek mérésével, mint a mágnesezettség, a sűrűség, az áramok és a sebesség.

A Google azt javasolja, hogy ezt az algoritmust egyfajta gondosan megtervezett kvantumvisszhangElőször a Willow chip egy komplex kvantummelőt kap, amely a rendszer fejlődését idézi elő. Ezután egy kis perturbációt vezetnek be egy adott qubitbe, majd a műveletek fordított sorrendjét hajtják végre, hogy megpróbálják visszafordítani a folyamatot. A teljes folyamat végén a rendszer a kezdeti állapot kvantum"visszhangját" adja vissza, amely a konstruktív interferencia révén felerősödik, és rendkívül pontos információkat tár fel arról, hogy mi történt az út során.

Elméleti szempontból az ilyen típusú, sorrenden kívüli korrelátorokat a következők tanulmányozására használják: hogyan keveredik és terjed az információ rendkívül összetett rendszerekbenpéldául a fekete lyukakat vagy egzotikus kvantumanyagokat leíró modellek. Az újdonság az, hogy ezeket most először vitték át az elméletből a laboratóriumba egy megismételhető és ellenőrizhető kísérlettel, amely nagyon specifikus fizikai alkalmazásokra is utal.

A Google két egymást kiegészítő tanulmányban mutatta be ezeket az eredményeket: az egyik a ...-ban jelent meg. TermészetAz egyik tanulmány az algoritmus és annak ellenőrizhető kvantumelőnyének bemutatására összpontosít, míg egy másik, az arXiv repositoryban közzétett tanulmány inkább a kémiai és spektroszkópiai potenciális alkalmazásokra összpontosít. A Nature cikk aláírói között van Michel Devoret, a 2025-ös fizikai Nobel-díjas, a szupravezető qubitek fejlesztésének kulcsfigurája.

A cég mérnökei szerint A Quantum Echoes 13 000-szer gyorsabban működik a Willow chipjén, ami a legjobb ekvivalens klasszikus algoritmus a világ legerősebb szuperszámítógépein hajtották végre. Gyakorlatilag azt, amit egy klasszikus gépnek több ezer vagy billió évbe telne megoldania, Willow néhány perc alatt megvalósítja, átlépve a teljes értékű kvantumelőnynek tekinthető küszöböt.

A kvantumszámítástechnika alapjai az algoritmus megértéséhez

Ahhoz, hogy világos képet kapjunk arról, hogyan működik a Quantum Echoes, érdemes megjegyezni, hogy Egy kvantumszámítógép nem működik klasszikus bitekkel.de qubitekkel. Míg egy bit csak 0 vagy 1 lehet, egy qubit egyszerre mindkét állapot szuperpozíciójában lehet. Ez lehetővé teszi, hogy egy qubit halmaz egyszerre hatalmas számú nulla és egyes kombinációt reprezentáljon.

A qubiteket fizikai rendszerek manipulálásával valósítják meg, mint például fotonok, elektronok, csapdába esett ionok, atomok vagy szupravezető áramkörökA Google, más vállalatokhoz hasonlóan, szupravezető qubitekbe fektet be, amelyek a Devoret és más kutatók által az 1980-as években kezdeményezett makroszkopikus kvantumáramkörökkel végzett kísérletek közvetlen leszármazottai. Ezek a qubitek összefonódhatnak, azaz közös kvantumállapotban osztozhatnak, és kollektív struktúrákat alkothatnak, ahol a valószínűségek hullámszerűen egyesülnek.

Ebben az összefüggésben a kvantumalgoritmus nem más, mint egy logikai kapuk sorozata amelyeket egy átfedő és összefonódó qubitek hálózataAhogy az áramkör fejlődik, a valószínűségi amplitúdók interferencia révén erősítik vagy kioltják egymást. A trükk az algoritmus úgy megtervezésében rejlik, hogy végül a helyes megoldások felerősödjenek, és a rendszer mérésekor a legvalószínűbb megoldásokká váljanak.

A konstruktív interferencia, a kvantumvisszhangok egyik kulcsa, akkor következik be, amikor kvantumhullámok fázisba rendeződnek és összeadódnak, ahelyett, hogy kioltanák egymást. Ha az áramkör jól van megtervezve, ez a hatás az algoritmus végső „visszhangját” világosan kiemeli a háttérzajból, és lehetővé teszi az információ rendszerben való terjedésének nagyon érzékeny leolvasását, még akkor is, ha a köztes folyamat nagyon kaotikus volt.

Mindez nagyon erőteljesen hangzik, de egy komoly problémával is jár: A kvantumrendszerek törékenysége a zajjal szembenA hőmérséklet, a rezgések, az elektromágneses sugárzás vagy a külső interferencia minimális változásai hibákat okozhatnak a qubitekben, megzavarhatják a rendszer koherenciáját és tönkretehetik a számítást. Ezért a kvantumhibák szabályozása és a dekoherencia csökkentése az iparág két fő kihívása.

Hogyan működik a Quantum Echoes lépésről lépésre a Willow chipen

Willow az utolsó A Google szupravezető kvantumchipjeÉs ez az a hardver, amin a Quantum Echoes fut. Ez a processzor már felkeltette a figyelmet azzal, hogy öt percen belül teljesítette a véletlenszerű áramkörök mintavételezésére szolgáló benchmark teszteket – olyan feladatokat, amelyeket egy hagyományos szuperszámítógép több tízezer év alatt sem tudott volna elvégezni. A Quantum Echoes-szal a Willow ismét középpontba kerül.

Az algoritmus alapvető sémája kvantum „idő-visszatekerés” élményként értelmezhető, bár Semmi sem kerül a múltbaA folyamat magában foglalja egy műveletsorozat alkalmazását a rendszeren, egy kis perturbáció bevezetését egy adott qubitbe, majd ugyanazon sorozat végrehajtását fordított sorrendben, rendkívül pontosan. Ha minden megfelelően van beállítva, a rendszer visszatér az eredeti állapotához közel, és egy interferometrikus visszhangot bocsát ki, amely rengeteg információt tartalmaz.

Nagyon leegyszerűsítve az eljárás három fő szakaszból áll: először egy jól kontrollált kezdeti állapot egy qubit halmazbanEzután ezt az állapotot hagyják kibontakozni egy kvantumkapuk sorozatán keresztül, amelyek rendkívül összetetté és kaotikussá teszik; végül végrehajtják az áramkör időbeli megfordítását, a folyamat közepén megváltoztatnak egy qubitet, és megfigyelik, hogyan befolyásolja ez a perturbáció a végső visszhangot.

Ennek az elrendezésnek a szépsége abban rejlik, hogy a végén mért visszhang nem gyenge visszaverődés, hanem egy által felerősített jel. konstruktív interferenciaPontosan emiatt a technika rendkívül érzékeny a rendszer belső dinamikájában bekövetkező apró változásokra. A Google ezt az érzékenységet kihasználva exponenciálisan csökkentette a chip effektív hibaszázalékát, és olyan eredményeket ért el, amelyek a nagymértékű hibajavítás életképessé válásának küszöbértéke alatt vannak.

A leírt kísérletek némelyikében a kvantumgép alig több mint két óra alatt megoldotta a problémát, míg a Frontier szuperszámítógépnek – a világ egyik legerősebbjének – erre lett volna szüksége. körülbelül 3,2 év folyamatos számítástechnika hogy egyenértékű klasszikus kódot futtasson. Ez a hatalmas teljesítménybeli különbség, párosulva azzal a ténnyel, hogy az eredmény megismételhető Willow-n vagy más hasonló minőségű eszközökön, az úgynevezett „igazolható kvantumelőny” alapja.

Továbbá a Google által használt protokoll Nem marad egyszerű kvantumfölényes gyakorlat alkalmazás nélkülA korábbi kísérletekkel ellentétben, amelyek a való világba nehezen átültethető mesterséges matematikai problémákra összpontosítottak, itt az algoritmust nagyon specifikus fizikai folyamatok szimulálására használják: valós molekulák szerkezetét és dinamikáját is vizsgálták mágneses magrezonanciával.

Ellenőrizhető kvantumelőny: miért más ez az áttörés?

Eddig a „kvantumfölény” számos bejelentését bírálták, mert Nem volt világos, hogyan lehet függetlenül ellenőrizni az eredményeket sem azt, hogy milyen gyakorlati haszna volt a megoldott problémáknak. A Google 2019-es mérföldköve például egy véletlenszerű áramköri mintavételezésen alapuló számítás elvégzése volt, amelyet egyetlen szuperszámítógép sem tudott volna ésszerű időn belül megismételni, de amelynek a laboratóriumon kívül sem volt haszna.

A Quantum Echoes-szal a vállalat megpróbálja rendezni ezt a vitát egy kísérlettel, amelyet eleve úgy terveztek, hogy ellenőrizhető, és ismételd meg a trükköt bárkinek, aki akarjaAz algoritmust olyan paraméterekkel és konfigurációkkal implementálták, amelyeket más kutatócsoportok hasonló kvantumhardverrel megpróbálhatnak reprodukálni. Továbbá a kvantumszimuláció eredményeit összehasonlították a jól bevált technikákkal kapott klasszikus fizikai mérésekkel.

A Google által állított „kvantum-verifiálhatóság” két pilléren nyugszik: egyrészt azon a tényen, hogy a számítások más hasonló kvantumgépeken is reprodukálhatók; másrészt azon a lehetőségen, hogy hasonlítsa össze az algoritmus kimenetét a kísérleti adatokkal mágneses magrezonancia képalkotással vagy klasszikus szimulációkkal azokban az esetekben, amikor ezek még megvalósíthatók. Ez a kettős validáció súlyt ad annak az állításnak, hogy nem csupán egy nehezen ellenőrizhető matematikai trükkel van dolgunk.

Ahhoz, hogy ez a fajta demonstráció lehetséges legyen, a hardvereknek kombinálniuk kell nagy sebességű műveletek rendkívül alacsony hibaszázalékkalAz időbeli megfordításos sorozat bármilyen eltérése tönkreteszi a végső visszhangot. Az a tény, hogy Willow-nak sikerült leküzdenie ezt a kihívást összeomlás nélkül, arra utal, hogy a szupravezető qubitek feletti irányítás figyelemre méltó szintet ért el, sokkal érettebbet, mint néhány évvel ezelőtt.

Ennek ellenére számos szakértő óvatosságra int. Olyan kutatók, mint Carlos Sabín, a Madridi Autonóm Egyetem Elméleti Fizikai Tanszékének munkatársa, rámutatnak, hogy Más kvantumelőnyöket is bejelentettek már, amelyeket később minősítettek. Míg más csoportok finomítottak a klasszikus algoritmusokon, vagy megtalálták a módját az eredmények közelítésére hagyományos számítógépek segítségével, a tudományos közösség most azt vizsgálja, hogy a Google kísérlete milyen mértékben jelöl ki szilárd határokat.

Alkalmazás a kémiában: molekulák, NMR és a „kvantoszkóp” álma

A Quantum Echoes egyik legszembetűnőbb aspektusa, hogy eszközként használható a következőkhöz: kémiai szimuláció és kvantumspektroszkópiaA Google a Berkeley-i Kaliforniai Egyetemmel együttműködve Willow-n futtatta az algoritmust két molekula tanulmányozásához: egy 15 atomos és egy 28 atomos, összehasonlítási alapként kísérleti magmágneses rezonancia (NMR) adatokat használva.

Az MRI, az orvosi mágneses rezonancia képalkotás spektroszkópiai unokatestvére, egyfajta mágneses „spineken” alapuló molekuláris mikroszkóp atommagok. Azzal, hogy észlelik, hogyan reagálnak ezek a spinek a mágneses mezőkre és a rádiófrekvenciás jelekre, a tudósok kikövetkeztethetik az atomok relatív helyzetét, és következésképpen a molekula szerkezetét. Ez alapvető eszköz a kémiában, a biológiában és az anyagtudományban.

A probléma az, hogy amikor a molekulák megnőnek, vagy a spinek közötti kölcsönhatások összetettebbé válnak, a Az NMR-adatok értelmezésének klasszikus módszerei rendkívül drágákká váltak Számítási szempontból. Itt jön képbe a Quantum Echoes: a kaotikus rendszer belső kvantumdinamikájának nyomon követésére való képessége lehetővé teszi a spinek közötti kölcsönhatások hatékonyabb modellezését nagy távolságokon.

A Berkeley-vel végzett koncepcióbizonyításban a kvantumalgoritmussal kapott eredmények Egybeestek a hagyományos MRI-mérésekkel. mindkét molekula esetében, ami a megközelítés első erős validációját jelentette. De emellett a kvantumanalízis további részleteket tárt fel a spindinamikáról, amelyeket általában nem lehet klasszikus módszerekkel megkapni, ami nagyobb érzékenységre utal.

Olyan kutatók, mint Ashok Ajoy, a Google Quantum AI munkatársa és a Berkeley professzora, már beszélnek egy jövőről „Kvantumspektroszkópia”, amely képes túllépni a jelenlegi határokatEbben a forgatókönyvben a kísérleti NMR és a kvantumalgoritmusok, például a Quantum Echoes kombinációja elsőrangú eszközzé válhat új gyógyszerek felfedezésében, az olyan összetett betegségek jobb megértésében, mint az Alzheimer-kór, vagy fejlett anyagok tervezésében akkumulátorokhoz, polimerekhez vagy akár magukhoz a szupravezető qubitekhez.

Lehetséges hatás az orvostudományra, az anyagtudományra és más iparágakra

Ha a Google ígéretei valóra válnak, a Quantum Echoes lehet az első komoly lépés afelé kvantumszámítógépek kézzelfogható, valós alkalmazásokkalA soktestű kvantumrendszerek pontos modellezésének képessége közvetlen következményekkel jár olyan területeken, mint a számítógépes kémia, ahol a komplex elektronikus kölcsönhatások szimulációja szinte tiltó problémát jelent a klasszikus számítástechnika számára.

A biomedicina területén ez magában foglalja a következők lehetőségét: hogy a gyógyszerjelölt molekulák terét sokkal hatékonyabban feltárjákAhelyett, hogy vakon tesztelnének több ezer vegyületet, egy kvantumszámítógép segíthet megjósolni, hogy mely struktúrák illeszkednek legjobban egy adott biológiai célponthoz, felgyorsítva a neurodegeneratív betegségek, a rák vagy más összetett betegségek kezelésének fejlesztését.

Az anyagtudományban ugyanez a logika érvényesül a következőkben: új, specifikus tulajdonságokkal rendelkező vegyületeket tervezniStabilabb szupravezetők, nagyobb energiasűrűségű akkumulátoranyagok, fejlett polimerek, vagy könnyebb és erősebb ötvözetek. A kvantumdinamika mikroszkopikus szintű kontrollja jelenti a különbséget a véletlenszerű kombinációk tesztelése és az eredmények megbízható szimulációval történő finomhangolása között.

Mindehhez hozzáadódik a potenciális hatás olyan területekre, mint a kiberbiztonság. Bár maga a Quantum Echoes nem a titkosítás feltörésére irányul, része a ugyanaz a fejlődési hullám, amely a kvantumgépeket közelebb hozza a hasznossághozA biztonsági közösség már a „learatás most, visszafejtés később” stratégiáról beszél: adatokat lopni ma, hogy visszafejtsék azokat, amikor már léteznek olyan kvantumszámítógépek, amelyek képesek feltörni a jelenlegi kriptográfiai algoritmusokat. Ez arra késztette az olyan szervezeteket, mint az Európai Unió és az ENISA, hogy megtervezzék a posztkvantum rendszerekre való áttérést.

Geopolitikai szinten a Google lépése beleillik egy… Éles verseny olyan óriásokkal, mint az IBM, a Microsoft és számos kínai szereplőAz olyan platformok, mint a kínai Wukong, vagy az IBM szupravezető qubitek és hosszú élettartamú logikai qubitek fejlesztései azt mutatják, hogy senki sem akar lemaradni. A Google által állított, ellenőrizhető kvantumelőny a tudományos előrelépésen túl stratégiai üzenet is a versenyben elfoglalt pozíciójáról.

A tudományos közösség jelenlegi korlátai és szkepticizmusa

Nem csak tűzijáték. Bár a Quantum Echoes kísérlet előrelépést jelent a korábbi mérföldkövekhez képest, számos szakértő hangsúlyozza, hogy Még egyértelműen kísérleti fázisban vagyunk.A demonstrációkat egyelőre viszonylag kis molekulákkal és kvantumáramkörökkel végezték, amelyek bár lenyűgözőek, még mindig messze vannak attól, amire nagyszabású ipari problémák megoldásához lenne szükség.

A Google által gyűjtött becslések szerint nagyságrendileg szükséges molekulák előállításához 50 releváns komplexitású fizikai qubitEhhez több százezer és több millió kvantumlogikai kapura lenne szükség. Ez a szám messze meghaladja a jelenlegi kísérletekben használt 792 kaput, és az ebben a rendszerben működő hibacsökkentési technikák esetleg nem skálázhatók jól sokkal mélyebb áramkörökre.

Az egyik visszatérő kritika az, hogy bár a demonstráció valódi kvantumelőnyt mutat, A nagy hatású gyakorlati alkalmazás még nem bizonyítottMás szóval, az algoritmus módszerek validálására és olyan rendszerek tanulmányozására szolgált, amelyek továbbfejlesztett klasszikus technikákkal kezelhetők, de még nem oldott meg egy olyan problémát, amely egy adott ipari vagy orvosi kontextusban teljesen elérhetetlen volt a klasszikus számítástechnika számára.

Továbbá a hibajavítás kérdése továbbra is akadályt jelent. A nagyméretű kvantumszámítógépek működtetése megköveteli Robusztus logikai qubitek sok fizikai qubitből építveígy az egyes hibák információvesztés nélkül észlelhetők és kijavíthatók. A Google ezt a célt kvantum-ütemtervének 3. mérföldkövének tekintette: egy hosszú élettartamú logikai qubit létrehozása, amely összeomlás nélkül képes ellenállni az összetett algoritmusok futtatásának követelményeinek.

Ezen fenntartások ellenére még a legóvatosabb hangok is elismerik, hogy A kvantumvisszhangok fontos előzetes lépést jelenthetnek a gyakorlati hasznosság demonstrálásának irányába. A kulcs az lesz, hogy kiderüljön, más laboratóriumok képesek-e reprodukálni a kísérletet, fejleszteni a versengő klasszikus algoritmusokat, és mindenekelőtt skálázni ezeket a technikákat több qubittel és több kapuval rendelkező rendszerekre anélkül, hogy a hibák száma az egekbe szökne.

A nagy képet nézve a Quantum Echoes egy olyan vállalkozássá válik, egyértelmű jele annak, hogy a kvantum hardverek és szoftverek párhuzamosan fejlődnekWillow bemutatja, hogy lehetséges olyan alacsony hibaszázalékkal működni, amelyek lehetővé teszik a kényes időmegfordításos protokollok alkalmazását, miközben az algoritmus megnyitja az utat olyan alkalmazások előtt, amelyek közvetlenül a valós fizikai problémákat kezelik. Még hosszú út áll előttünk, de az alkalmazott kvantum-számítástechnika első visszhangjai már hangosan hallatszanak.

Kapcsolódó cikk:

A Google AI Overviews megérkezik Spanyolországba: mi az, és hogyan változtatja meg a keresést