Cara kerja algoritma Quantum Echoes Google

Informatec Digital » Sumber daya » Cara kerja algoritma Quantum Echoes Google

La komputasi kuantum bukan lagi hanya sekedar teori untuk mulai memasukkan dirinya ke dalam percakapan tentang kedokteran, material canggih, atau keamanan siber. Google telah berusaha selama bertahun-tahun untuk menunjukkan bahwa komputer kuantum mereka Ini bukan sekadar prototipe yang menarik perhatian, tetapi alat dengan aplikasi nyata. Dengan algoritma Quantum Echoes dan chip Willow-nya, perusahaan ini mengklaim telah mencapai salah satu tonggak penting yang dapat mengubah laju persaingan teknologi ini.

Algoritma baru ini, korelator tidak berurutan Dirancang untuk mempelajari bagaimana informasi kuantum menyebar dalam sistem yang kompleks, teknologi ini tidak hanya luar biasa cepat: menurut data yang dipublikasikan, teknologi ini beroperasi sekitar 13.000 kali lebih cepat daripada superkomputer klasik terbaik untuk tugas yang setara. Namun, yang paling menarik adalah algoritmanya yang dapat diverifikasi, artinya hasilnya dapat diulang dan diperiksa pada perangkat kuantum serupa lainnya—faktor kunci jika kita ingin teknologi ini berkembang melampaui laboratorium.

Apa sebenarnya Quantum Echoes dan mengapa semua orang membicarakannya?

Gema Kuantum adalah Algoritma kuantum tipe OTOC (Korelator Out-of-Time-Order). Fungsi utamanya adalah mengukur bagaimana status qubit berubah setelah sistem kuantum menjalani serangkaian operasi dan kemudian "memutar ulang" evolusinya. Dalam praktiknya, ia bertindak sebagai termometer kekacauan kuantum: ia menganalisis bagaimana informasi tersebar dalam sekumpulan qubit dengan mengukur besaran seperti magnetisasi, densitas, arus, dan kecepatan.

Apa yang diusulkan Google adalah menggunakan algoritma ini sebagai semacam gema kuantum yang dirancang dengan cermatPertama, chip Willow menerima sinyal kuantum kompleks yang menyebabkan sistem berevolusi. Kemudian, sebuah gangguan kecil dimasukkan ke dalam qubit tertentu, dan selanjutnya, rangkaian operasi kebalikannya dijalankan untuk mencoba membatalkan proses tersebut. Di akhir seluruh proses ini, sistem mengembalikan "gema" kuantum dari keadaan awal, yang, berkat interferensi konstruktif, diperkuat dan mengungkapkan informasi yang sangat akurat tentang apa yang telah terjadi di sepanjang proses.

Dari sudut pandang teoritis, jenis korelator yang tidak berurutan ini digunakan untuk mempelajari bagaimana informasi bercampur dan menyebar dalam sistem yang sangat kompleksseperti model yang menggambarkan lubang hitam atau material kuantum eksotis. Yang baru di sini adalah, untuk pertama kalinya, model-model tersebut telah diterapkan dari teori ke laboratorium dengan eksperimen yang dapat diulang dan diverifikasi, dan yang juga mengarah pada aplikasi fisika yang sangat spesifik.

Google telah menyajikan hasil ini dalam dua makalah pelengkap: satu diterbitkan di AlamSatu makalah berfokus pada demonstrasi algoritma dan keunggulan kuantumnya yang terverifikasi, sementara makalah lain, yang diposting di repositori arXiv, lebih berorientasi pada potensi aplikasi di bidang kimia dan spektroskopi. Salah satu penandatangan artikel di Nature adalah Michel Devoret, pemenang Hadiah Nobel Fisika 2025 dan tokoh kunci dalam pengembangan qubit superkonduktor.

Menurut para insinyur perusahaan, Quantum Echoes bekerja 13.000 kali lebih cepat pada chip Willow yang terbaik algoritma klasik yang setara dieksekusi di superkomputer terkuat di dunia. Secara praktis, apa yang bisa diselesaikan oleh mesin klasik dalam ribuan atau triliunan tahun, Willow selesaikan dalam beberapa menit, melampaui ambang batas keunggulan kuantum yang sesungguhnya.

Dasar-dasar komputasi kuantum untuk memahami algoritma

Untuk mendapatkan gambaran yang jelas tentang cara kerja Quantum Echoes, perlu diingat bahwa Komputer kuantum tidak bekerja dengan bit klasik.tetapi dengan qubit. Sementara sebuah bit hanya bisa berupa 0 atau 1, sebuah qubit dapat berada dalam superposisi kedua keadaan tersebut secara bersamaan. Hal ini memungkinkan sekumpulan qubit untuk secara bersamaan merepresentasikan sejumlah besar kombinasi nol dan satu.

Qubit diimplementasikan dengan memanipulasi sistem fisik seperti foton, elektron, ion terperangkap, atom, atau sirkuit superkonduktorGoogle, seperti perusahaan lain, berinvestasi dalam qubit superkonduktor, turunan langsung dari eksperimen sirkuit kuantum makroskopik yang diinisiasi oleh Devoret dan peneliti lain pada tahun 1980-an. Qubit-qubit ini dapat terjerat, yaitu berbagi keadaan kuantum yang sama, dan membentuk struktur kolektif di mana probabilitas bergabung seperti gelombang.

Dalam konteks ini, algoritma kuantum tidak lebih dari sekedar urutan gerbang logika yang diterapkan pada suatu jaringan qubit yang saling tumpang tindih dan saling terkaitSeiring perkembangan rangkaian, amplitudo probabilitas saling menguatkan atau meniadakan melalui interferensi. Kuncinya adalah merancang algoritma sedemikian rupa sehingga, pada akhirnya, solusi yang tepat diperkuat dan menjadi yang paling mungkin saat mengukur sistem.

Interferensi konstruktif, salah satu kunci Quantum Echoes, terjadi ketika gelombang kuantum sejajar dalam fase dan keduanya saling menjumlahkan, alih-alih saling meniadakan. Jika rangkaian dirancang dengan baik, efek ini membuat "gema" akhir algoritma tampak jelas dari derau latar belakang dan memungkinkan pembacaan yang sangat sensitif tentang bagaimana informasi telah disebarkan dalam sistem, bahkan jika proses perantaranya sangat kacau.

Semua ini terdengar sangat ampuh, tetapi juga disertai masalah serius: kerapuhan sistem kuantum dalam menghadapi kebisinganVariasi minimal pada suhu, getaran, radiasi elektromagnetik, atau interferensi eksternal dapat menimbulkan kesalahan pada qubit, merusak koherensi sistem, dan merusak perhitungan. Oleh karena itu, pengendalian kesalahan kuantum dan pengurangan dekoherensi merupakan dua tantangan utama industri ini.

Cara kerja Quantum Echoes langkah demi langkah pada chip Willow

Willow adalah yang terakhir Chip kuantum superkonduktor GoogleDan inilah perangkat keras yang menjalankan Quantum Echoes. Prosesor ini telah menarik perhatian dengan menyelesaikan uji benchmark untuk pengambilan sampel sirkuit acak dalam waktu kurang dari lima menit—tugas yang tidak dapat diselesaikan oleh superkomputer konvensional dalam waktu puluhan septiliun tahun. Dengan Quantum Echoes, Willow sekali lagi menjadi pusat perhatian.

Skema dasar algoritma ini dapat dipahami sebagai pengalaman “pemutaran waktu” kuantum, meskipun Tidak ada yang dikirim ke masa laluProses ini melibatkan penerapan serangkaian operasi pada sistem, memberikan gangguan kecil pada qubit tertentu, lalu mengeksekusi rangkaian yang sama secara terbalik dengan presisi yang sangat tinggi. Jika semuanya disetel dengan benar, sistem akan kembali mendekati keadaan semula dan melepaskan gema interferometrik yang berisi banyak informasi.

Secara sederhana, prosedur ini mengikuti tiga fase utama: pertama, keadaan awal yang terkontrol dengan baik dalam satu set qubitKemudian, keadaan itu dibiarkan berkembang melalui serangkaian gerbang kuantum yang membuatnya sangat kompleks dan kacau; akhirnya, pembalikan waktu sirkuit dieksekusi, sebuah qubit diubah di tengah proses, dan diamati bagaimana gangguan itu memengaruhi gema akhir.

Keindahan dari pengaturan ini adalah gema yang diukur di akhir bukanlah pantulan yang lemah, tetapi sinyal yang diperkuat oleh interferensi konstruktifKarena alasan inilah, teknik ini sangat sensitif terhadap perubahan kecil dalam dinamika internal sistem. Google telah memanfaatkan sensitivitas ini untuk mengurangi tingkat kesalahan efektif chip secara eksponensial, mencapai hasil di bawah ambang batas yang memungkinkan koreksi kesalahan skala besar.

Dalam beberapa percobaan yang dijelaskan, mesin kuantum mampu menyelesaikan masalah tersebut hanya dalam waktu dua jam, sedangkan superkomputer Frontier—salah satu yang terkuat di dunia—membutuhkan sekitar 3,2 tahun komputasi berkelanjutan untuk mengeksekusi kode klasik yang setara. Kesenjangan kinerja yang besar ini, ditambah dengan fakta bahwa hasilnya dapat diulang di Willow atau perangkat lain dengan kualitas serupa, merupakan dasar dari apa yang disebut "keunggulan kuantum yang dapat diverifikasi".

Selain itu, protokol yang digunakan oleh Google Ini bukan hanya sekedar latihan sederhana dalam supremasi kuantum tanpa penerapanTidak seperti percobaan sebelumnya, yang berfokus pada masalah matematika buatan yang sulit diterjemahkan ke dunia nyata, di sini algoritma digunakan untuk mensimulasikan proses fisik yang sangat spesifik: struktur dan dinamika molekul nyata juga dipelajari dengan resonansi magnetik nuklir.

Keunggulan kuantum yang dapat diverifikasi: mengapa terobosan ini berbeda

Hingga saat ini, banyak pengumuman “supremasi kuantum” yang mendapat kritik karena Tidak jelas bagaimana cara memverifikasi hasil secara independen atau apa kegunaan praktis dari soal-soal yang telah dipecahkan. Tonggak sejarah Google di tahun 2019, misalnya, adalah melakukan perhitungan pada pengambilan sampel sirkuit acak yang tidak dapat direplikasi oleh superkomputer mana pun dalam waktu yang wajar, tetapi juga tidak berguna di luar laboratorium.

Dengan Quantum Echoes, perusahaan mencoba menyelesaikan perdebatan itu dengan sebuah eksperimen yang dirancang sejak awal untuk menjadi dapat diverifikasi dan mengulangi trik tersebut kepada siapa pun yang menginginkannyaAlgoritme ini telah diimplementasikan dengan parameter dan konfigurasi yang dapat direplikasi oleh kelompok riset lain, dengan perangkat keras kuantum yang sebanding. Lebih lanjut, hasil simulasi kuantum dibandingkan dengan pengukuran fisika klasik yang diperoleh menggunakan teknik yang telah mapan.

“Verifikasi kuantum” yang diklaim oleh Google didasarkan pada dua pilar: pertama, fakta bahwa perhitungan dapat direproduksi pada mesin kuantum serupa lainnya; kedua, kemungkinan membandingkan keluaran algoritma dengan data eksperimen Pencitraan resonansi magnetik nuklir atau simulasi klasik dalam kasus-kasus yang masih memungkinkan. Validasi ganda ini memperkuat pernyataan bahwa kita tidak sekadar berurusan dengan trik matematika yang sulit diverifikasi.

Agar jenis demonstrasi ini dapat dilakukan, perangkat keras harus menggabungkan operasi berkecepatan tinggi dengan tingkat kesalahan yang sangat rendahSetiap penyimpangan dalam urutan pembalikan waktu akan merusak gema akhir. Fakta bahwa Willow mampu mengatasi tantangan ini tanpa kolaps menyiratkan bahwa kendali atas qubit superkonduktor telah mencapai tingkat yang luar biasa, jauh lebih matang daripada beberapa tahun yang lalu.

Meskipun demikian, beberapa ahli mendesak agar berhati-hati. Para peneliti seperti Carlos Sabín, dari Departemen Fisika Teoritis di Universitas Otonom Madrid, menunjukkan bahwa Keunggulan kuantum lainnya telah diumumkan, yang kemudian dikualifikasi. Sementara kelompok lain telah menyempurnakan algoritma klasik atau menemukan cara untuk memperkirakan hasil menggunakan komputer konvensional, komunitas ilmiah sekarang sedang dalam proses memverifikasi sejauh mana eksperimen Google menandai batas yang tegas.

Aplikasi dalam kimia: molekul, NMR dan mimpi “kuantoskop”

Salah satu aspek yang paling mencolok dari Quantum Echoes adalah penggunaannya sebagai alat untuk simulasi kimia dan spektroskopi kuantumBekerja sama dengan Universitas California di Berkeley, Google telah menjalankan algoritma pada Willow untuk mempelajari dua molekul: satu dengan 15 atom dan lainnya dengan 28, menggunakan data resonansi magnetik nuklir (NMR) eksperimental sebagai titik perbandingan.

MRI, sepupu spektroskopi dari pencitraan resonansi magnetik medis, bertindak sebagai mikroskop molekuler berdasarkan “spin” magnetik inti atom. Dengan mendeteksi bagaimana spin ini merespons medan magnet dan sinyal frekuensi radio, para ilmuwan dapat menyimpulkan posisi relatif atom dan, akibatnya, struktur molekulnya. Ini merupakan alat fundamental dalam kimia, biologi, dan ilmu material.

Masalahnya adalah, ketika molekul menjadi besar atau interaksi antara spin menjadi lebih kompleks, Metode klasik untuk menafsirkan data NMR menjadi sangat mahal Dari sudut pandang komputasi. Di sinilah Quantum Echoes berperan: kemampuannya untuk melacak dinamika kuantum internal suatu sistem yang kacau memungkinkannya untuk memodelkan interaksi antar spin secara lebih efisien dalam jarak jauh.

Dalam pembuktian konsep yang dilakukan dengan Berkeley, hasil yang diperoleh dengan algoritma kuantum Mereka bertepatan dengan pengukuran MRI tradisional. untuk kedua molekul, yang merupakan validasi kuat pertama dari pendekatan ini. Namun, analisis kuantum juga mengungkapkan detail lebih lanjut tentang dinamika spin yang biasanya tidak dapat diperoleh dengan teknik klasik, yang menunjukkan sensitivitas yang lebih tinggi.

Para peneliti seperti Ashok Ajoy, seorang kolaborator dengan Google Quantum AI dan seorang profesor di Berkeley, sudah membicarakan tentang masa depan “Spektroskopi kuantum” yang mampu melampaui batas saat iniDalam skenario ini, kombinasi NMR eksperimental dengan algoritma kuantum seperti Quantum Echoes dapat menjadi alat tingkat atas untuk menemukan obat baru, lebih memahami penyakit kompleks seperti Alzheimer, atau merancang material canggih untuk baterai, polimer, atau bahkan qubit superkonduktor itu sendiri.

Dampak potensial pada industri kedokteran, ilmu material, dan industri lainnya

Jika janji Google terwujud, Quantum Echoes bisa menjadi langkah serius pertama menuju komputer kuantum dengan aplikasi dunia nyata yang nyataKemampuan untuk memodelkan sistem kuantum banyak-tubuh secara akurat memiliki implikasi langsung dalam bidang seperti kimia komputasi, di mana simulasi interaksi elektronik yang kompleks merupakan masalah yang hampir mustahil untuk komputasi klasik.

Dalam bidang biomedis, hal ini berarti kemungkinan untuk mengeksplorasi ruang molekul kandidat obat dengan lebih efisienAlih-alih menguji ribuan senyawa secara membabi buta, komputer kuantum dapat membantu memprediksi struktur mana yang paling sesuai dengan target biologis tertentu, sehingga mempercepat pengembangan pengobatan untuk penyakit neurodegeneratif, kanker, atau penyakit kompleks lainnya.

Dalam ilmu material, logika yang sama berlaku untuk merancang senyawa baru dengan sifat-sifat tertentuSuperkonduktor yang lebih stabil, material baterai dengan kepadatan energi yang lebih tinggi, polimer canggih, atau paduan yang lebih ringan dan kuat. Kontrol atas dinamika kuantum pada tingkat mikroskopis menentukan perbedaan antara pengujian kombinasi acak dan penyempurnaan hasil dengan simulasi yang andal.

Ditambah lagi potensi dampaknya pada bidang-bidang seperti keamanan siber. Meskipun Quantum Echoes sendiri tidak ditujukan untuk memecahkan enkripsi, ia merupakan bagian dari gelombang kemajuan yang sama yang membawa mesin kuantum lebih dekat ke kegunaannyaKomunitas keamanan sudah membicarakan strategi "panen sekarang, dekripsi nanti": mencuri data sekarang untuk mendekripsinya ketika komputer kuantum sudah ada dan mampu memecahkan algoritma kriptografi terkini. Hal ini mendorong organisasi seperti Uni Eropa dan ENISA untuk merencanakan transisi ke sistem pasca-kuantum.

Pada tingkat geopolitik, langkah Google ini sesuai dengan Persaingan ketat dengan raksasa seperti IBM, Microsoft dan beberapa pemain TiongkokPlatform seperti Wukong di Tiongkok, atau pengembangan IBM dalam qubit superkonduktor dan qubit logika berumur panjang, menunjukkan bahwa tak seorang pun ingin tertinggal. Keunggulan kuantum terverifikasi yang diklaim Google, selain merupakan kemajuan ilmiah, merupakan pesan strategis tentang posisinya dalam persaingan ini.

Keterbatasan dan skeptisisme saat ini dalam komunitas ilmiah

Tidak semuanya tentang kembang api. Meskipun eksperimen Quantum Echoes merupakan lompatan maju dari tonggak sejarah sebelumnya, beberapa ahli menekankan bahwa Kami jelas masih dalam tahap percobaan.Untuk saat ini, demonstrasi telah dilakukan dengan molekul yang relatif kecil dan dengan sirkuit kuantum yang, meskipun mengesankan, masih jauh dari apa yang dibutuhkan untuk mengatasi masalah industri skala besar.

Menurut perkiraan yang dikumpulkan oleh Google sendiri, untuk mencapai molekul yang membutuhkan sekitar 50 qubit fisik dengan kompleksitas yang relevanIni membutuhkan ratusan ribu hingga jutaan gerbang logika kuantum. Jumlah tersebut jauh melebihi 792 gerbang yang digunakan dalam eksperimen saat ini, dan teknik mitigasi kesalahan yang bekerja dalam sistem ini mungkin tidak dapat diterapkan secara luas pada sirkuit yang jauh lebih dalam.

Salah satu kritik yang terus muncul adalah, meskipun demonstrasi menunjukkan keuntungan kuantum yang nyata, Penggunaan praktis berdampak tinggi belum terbuktiDengan kata lain, algoritma tersebut telah berfungsi untuk memvalidasi metode dan mempelajari sistem yang dapat ditangani dengan teknik klasik yang lebih baik, tetapi belum memecahkan masalah yang sama sekali tidak mungkin dicapai oleh komputasi klasik dalam konteks industri atau medis tertentu.

Selain itu, masalah koreksi kesalahan masih menjadi kendala. Pengoperasian komputer kuantum skala besar membutuhkan Qubit logis yang kuat dibangun dari banyak qubit fisiksehingga kesalahan individual dapat dideteksi dan diperbaiki tanpa kehilangan informasi. Google telah mengidentifikasi tujuan ini sebagai tonggak ke-3 dari peta jalan kuantumnya: mencapai qubit logika berumur panjang yang mampu memenuhi tuntutan menjalankan algoritma kompleks tanpa mengalami crash.

Meskipun terdapat keraguan ini, bahkan suara-suara yang paling berhati-hati pun mengakui bahwa Gema Kuantum mungkin merupakan langkah awal yang penting ke arah mendemonstrasikan kegunaan praktis. Kuncinya adalah melihat apakah laboratorium lain dapat mereproduksi eksperimen ini, meningkatkan algoritma klasik yang bersaing, dan, yang terpenting, menskalakan teknik ini ke sistem dengan lebih banyak qubit dan lebih banyak gerbang tanpa kesalahan yang melonjak.

Melihat gambaran besarnya, Quantum Echoes tampaknya akan menjadi tanda yang jelas bahwa perangkat keras dan perangkat lunak kuantum berkembang secara paralelWillow menunjukkan bahwa dimungkinkan untuk beroperasi dengan tingkat kesalahan yang cukup rendah untuk memungkinkan protokol pembalikan waktu yang rumit, sementara algoritmanya membuka pintu bagi aplikasi yang secara langsung mengatasi masalah fisik di dunia nyata. Jalan masih panjang, tetapi gema pertama komputasi kuantum terapan mulai terdengar lantang.

Artikel terkait:

Google AI Overviews hadir di Spanyol: apa itu dan bagaimana ia mengubah pencarian