- „Quantum Echoes“ yra laiko limito koreliatorius, kuris matuoja, kaip kvantinė informacija sklinda sudėtingose sistemose, naudodamas labai jautrų interferometrinį aidą.
- Veikdamas „Willow“ luste, algoritmas siūlo patikrinamą kvantinį pranašumą – iki 13 000 kartų greitesnį nei geriausi klasikiniai superkompiuteriai, atliekantys lygiavertes užduotis.
- Eksperimentai su realiomis molekulėmis ir BMR duomenys patvirtina jo potencialą chemijoje, vaistų atradime ir medžiagų moksle, nors jis vis dar yra preliminariame etape.
- Svarbiausi iššūkiai, tokie kaip klaidų taisymas ir mastelio keitimas siekiant ilgaamžių loginių kubitų, lieka neišspręsti, kol pamatysime masines kvantines programas.
Kvantiniai skaičiavimai peržengė teorijos ribas ir dabar daro įtaką diskusijoms apie mediciną, pažangias medžiagas ir kibernetinį saugumą. „Google“ daugelį metų bandė įrodyti, kad jos kvantiniai kompiuteriai yra ne tik akį traukiantys prototipai, bet ir įrankiai su realiomis pritaikymo galimybėmis. Bendrovė teigia pasiekusi vieną iš tų etapų, kurie galėtų pakeisti šių technologinių lenktynių tempą, pasitelkdama „Quantum Echoes“ algoritmą ir „Willow“ lustą.
Šis naujas algoritmas, laiko užklausos koreliatorius , skirtas tirti, kaip kvantinė informacija sklinda sudėtingose sistemose, yra ne tik neįtikėtinai greitas – remiantis paskelbtais duomenimis, jis veikia apie 13 000 kartų greičiau nei geriausi klasikiniai superkompiuteriai, atliekantys lygiavertę užduotį – bet ir įdomiausia tai, kad tai yra patikrinamas algoritmas, o tai reiškia, kad jo rezultatus galima pakartoti ir patikrinti kituose panašiuose kvantiniuose įrenginiuose, o tai yra pagrindinis veiksnys, jei norime, kad ši technologija išplistų už laboratorijos ribų.
Kas tiksliai yra „Quantum Echoes“ ir kodėl visi apie tai kalba?
„Quantum Echoes“ yra OTOC (angl. Out-of-Time-Order Correlator) kvantinis algoritmas . Pagrindinė jo funkcija – matuoti, kaip pasikeičia kubito būsena, kai kvantinė sistema paveikiama operacijų seka ir po to „atsukama“ jos evoliucija. Praktiškai jis veikia kaip kvantinio chaoso termometras: analizuoja, kaip informacija yra išsklaidyta kubitų rinkinyje, matuodamas tokius dydžius kaip įmagnetėjimas, tankis, srovės ir greitis.
„Google“ siūlo naudoti šį algoritmą kaip kruopščiai sukurtą kvantinį aidą . Pirmiausia „Willow“ lustas gauna sudėtingą kvantinį signalą, kuris priverčia sistemą evoliucionuoti. Tada į konkretų kubitą įvedamas nedidelis trikdymas, o vėliau atliekama atvirkštinė operacijų seka, siekiant bandyti anuliuoti procesą. Visos šios kelionės pabaigoje sistema grąžina pradinės būsenos kvantinį „aidą“, kuris dėl konstruktyvios interferencijos yra sustiprinamas ir atskleidžia labai tikslią informaciją apie tai, kas įvyko.
Teoriniu požiūriu, tokio tipo laiko atžvilgiu užlaikyti koreliatoriai naudojami tiriant, kaip informacija maišosi ir sklinda itin sudėtingose sistemose , tokiose kaip juodosios skylės ar egzotinės kvantinės medžiagos. Naujovė ta, kad pirmą kartą jie buvo perkelti iš teorijos į laboratoriją su eksperimentu, kurį galima pakartoti ir patikrinti, ir kuris taip pat nurodo labai specifinius fizikinius pritaikymus.
„Google“ šiuos rezultatus pristatė dviejuose vienas kitą papildančiuose straipsniuose: vienas paskelbtas žurnale „Nature“ , kuriame daugiausia dėmesio skiriama algoritmo ir jo patikrinamo kvantinio pranašumo demonstravimui, o kitas paskelbtas „arXiv“ saugykloje, labiau orientuotas į galimus pritaikymus chemijoje ir spektroskopijoje. Tarp straipsnio autorių yra Michelis Devoretas, 2025 m. Nobelio fizikos premijos laureatas ir pagrindinė superlaidžiųjų kubitų kūrimo figūra.
Pasak bendrovės inžinierių, „Quantum Echoes“ „Willow“ luste veikia 13 000 kartų greičiau nei geriausias lygiavertis klasikinis algoritmas, veikiantis galingiausiuose pasaulio superkompiuteriuose. Praktiškai tai, ką klasikinei mašinai išspręsti prireiktų tūkstančių ar trilijonų metų, „Willow“ atlieka per kelias minutes, peržengdama tai, kas laikoma tikruoju kvantiniu pranašumu.
Kvantinių skaičiavimų pagrindai algoritmui suprasti
Norint aiškiai suprasti, kaip veikia „Quantum Echoes“, pravartu prisiminti, kad kvantinis kompiuteris veikia ne su klasikiniais bitais , o su kubitais. Nors bitas gali būti tik 0 arba 1, kubitas gali būti abiejų būsenų superpozicijoje vienu metu. Tai leidžia kubitų rinkiniui vienu metu atvaizduoti didžiulį skaičių nulių ir vienetų derinių.
Kubitai įgyvendinami manipuliuojant fizinėmis sistemomis, tokiomis kaip fotonai, elektronai, įstrigę jonai, atomai arba superlaidžios grandinės . „Google“, kaip ir kitos įmonės, stato už superlaidžius kubitus – tiesioginius Devoret ir kitų tyrėjų devintajame dešimtmetyje inicijuotų makroskopinių kvantinių grandinių eksperimentų palikuonis. Šie kubitai gali susipynti, tai yra, turėti bendrą kvantinę būseną ir sudaryti kolektyvines struktūras, kuriose tikimybės susijungia kaip bangos.
Šiame kontekste kvantinis algoritmas yra tiesiog loginių vartų seka, taikoma persidengiančių ir susietų kubitų tinklui . Grandinei tobulėjant, tikimybių amplitudės viena kitą sustiprina arba panaikina per interferenciją. Visa esmė – sukurti algoritmą taip, kad galiausiai teisingi sprendiniai būtų sustiprinti ir taptų labiausiai tikėtinais matuojant sistemą.
Konstruktyvioji interferencija, vienas iš pagrindinių kvantinių aidų aspektų, atsiranda, kai kvantinės bangos išsirikiuoja fazėje ir susilieja, o ne viena kitą panaikina. Jei grandinė gerai suprojektuota, šis efektas aiškiai išskiria galutinį algoritmo „aido“ efektą iš foninio triukšmo, todėl galima labai jautriai nuskaityti, kaip informacija sklido sistemoje, net jei tarpinis procesas buvo labai chaotiškas.
Visa tai skamba labai galingai, tačiau kartu kyla ir rimta problema: kvantinių sistemų trapumas triukšmui . Minimalūs temperatūros, vibracijų, elektromagnetinės spinduliuotės ar išorinių trukdžių pokyčiai gali sukelti paklaidų kubituose, sutrikdyti sistemos koherenciją ir sugadinti skaičiavimus. Štai kodėl kvantinių paklaidų valdymas ir dekoherencijos mažinimas yra du didžiausi sektoriaus iššūkiai.
Kaip „Quantum Echoes“ žingsnis po žingsnio veikia „Willow“ luste
„Willow“ yra naujausias „Google“ superlaidus kvantinis lustas ir tai yra aparatinės įrangos dalis, kurioje veikia „Quantum Echoes“. Šis procesorius jau sulaukė dėmesio, atlikdamas atsitiktinių grandinių atrankos etaloninius testus per mažiau nei penkias minutes – užduotis, kurių klasikinis superkompiuteris negalėjo atlikti per dešimtis septyniasdešimt metų. Su „Quantum Echoes“ „Willow“ vėl užima centrinę vietą.
Algoritmo pagrindinę schemą galima suprasti kaip kvantinį „laiko atsukimo“ eksperimentą, nors niekas nesiunčiama į praeitį . Sistemai pritaikoma operacijų seka, įvedamas nedidelis trikdymas konkrečiam kubitui ir tada ta pati seka vykdoma atvirkščiai, itin tiksliai. Jei viskas tiksliai suderinta, sistema grįžta beveik į pradinę būseną ir skleidžia interferometrinį aidą, kuriame yra daug informacijos.
Labai supaprastintai procedūra vyksta trimis pagrindiniais etapais: pirma, kubitų rinkinyje parengiama gerai kontroliuojama pradinė būsena ; tada ši būsena vystoma per kvantinių vartų seką, dėl kurios ji tampa labai sudėtinga ir chaotiška; galiausiai atliekamas grandinės laiko apkeitimas, proceso viduryje pakeičiamas kubitas ir stebimas šio trikdžio poveikis galutiniam aidui.
Šios sistemos grožis yra tas, kad gale išmatuotas aidas yra ne silpnas atspindys, o signalas, sustiprintas konstruktyviosios interferencijos . Būtent dėl šios priežasties ši technika yra itin jautri mažiems sistemos vidinės dinamikos pokyčiams. „Google“ pasinaudojo šiuo jautrumu, kad eksponentiškai sumažintų lusto efektyvų klaidų dažnį, pasiekdama rezultatus, mažesnius už ribą, ties kuria tampa įmanomas didelio masto klaidų taisymas.
Kai kuriuose aprašytuose eksperimentuose kvantinė mašina sugebėjo išspręsti problemą vos per kiek daugiau nei dvi valandas, o „Frontier“ superkompiuteriui – vienam galingiausių pasaulyje – būtų prireikę apie 3,2 metų nepertraukiamo skaičiavimo, kad būtų paleistas lygiavertis klasikinis kodas. Šis didžiulis našumo skirtumas, kartu su tuo, kad rezultatą galima pakartoti „Willow“ ar kituose panašios kokybės įrenginiuose, yra vadinamojo „patikrinamo kvantinio pranašumo“ pagrindas.
Be to, „Google“ naudojamas protokolas nėra tiesiog paprastas kvantinės viršenybės pratimas be praktinio pritaikymo . Skirtingai nuo ankstesnių eksperimentų, kuriuose daugiausia dėmesio skirta dirbtinėms matematinėms problemoms, kurias sunku pritaikyti realiame pasaulyje, čia algoritmas naudojamas labai specifiniams fiziniams procesams imituoti: realių molekulių struktūrai ir dinamikai, taip pat tiriamai naudojant branduolinį magnetinį rezonansą.
Patikrinamas kvantinis pranašumas: kuo šis proveržis kitoks
Iki šiol daugelis „kvantinio pranašumo“ pareiškimų buvo kritikuojami, nes nebuvo aišku, kaip nepriklausomai patikrinti rezultatus ar kokią praktinę naudą turi išspręstos problemos. Pavyzdžiui, „Google“ 2019 m. pasiektas tikslas buvo atlikti skaičiavimą, pagrįstą atsitiktinių grandinių imtimi, kurių per pagrįstą laiką negalėtų atkartoti joks superkompiuteris, tačiau kurie taip pat neturėjo jokios naudos už laboratorijos ribų.
Kurdama „Quantum Echoes“, bendrovė siekia išspręsti šią diskusiją eksperimentu, kuris nuo pat pradžių buvo sukurtas taip, kad jį būtų galima patikrinti ir pakartoti visiems, norintiems jį išbandyti . Algoritmas buvo įgyvendintas su parametrais ir konfigūracijomis, kurias kitos tyrimų grupės, turėdamos panašią kvantinę įrangą, gali bandyti pakartoti. Be to, kvantinio modeliavimo rezultatai palyginami su klasikinės fizikos matavimais, gautais naudojant nusistovėjusius metodus.
„Google“ teigiamas „kvantinis patikrinamumas“ remiasi dviem ramsčiais: pirma, tuo, kad skaičiavimus galima atkurti kitose panašiose kvantinėse mašinose; ir antra, galimybe palyginti algoritmo išvestį su eksperimentiniais branduolinio magnetinio rezonanso duomenimis arba su klasikiniais modeliavimais tais atvejais, kai tai vis dar įmanoma. Šis dvigubas patvirtinimas suteikia pagrindo teiginiui, kad susiduriame ne tik su sunkiai patikrinamu matematiniu triuku.
Kad tokio tipo demonstracija būtų įmanoma, aparatinė įranga turi derinti didelės spartos operacijas su itin mažu klaidų lygiu . Bet koks nukrypimas laiko keitimo sekoje sugadina galutinį aidą. Tai, kad „Willow“ pavyko įveikti šį iššūkį nesugriaunant sistemos, reiškia, kad superlaidžių kubitų valdymas pasiekė nepaprastą lygį, daug brandesnį nei vos prieš kelerius metus.
Nepaisant to, keli ekspertai ragina būti atsargiems. Tokie tyrėjai kaip Carlosas Sabínas iš Madrido autonominio universiteto Teorinės fizikos katedros nurodo, kad jau buvo paskelbti ir kiti kvantinių pranašumai, tačiau vėliau jie buvo patikslinti, kai kitos grupės patobulino klasikinius algoritmus arba rado būdų, kaip apytiksliai gauti rezultatus naudojant įprastus kompiuterius. Mokslo bendruomenė šiuo metu tikrina, kiek „Google“ eksperimentas nustato aiškias ribas.
Taikymas chemijoje: molekulės, BMR ir „kvantoskopo“ svajonė
Vienas ryškiausių „Quantum Echoes“ aspektų yra jo naudojimas kaip cheminio modeliavimo ir kvantinės spektroskopijos įrankis . Bendradarbiaudama su Kalifornijos universitetu Berklyje, „Google“ paleido algoritmą „Willow“ sistemoje, kad ištirtų dvi molekules: vieną su 15 atomų ir kitą su 28, palyginimui naudodama eksperimentinius branduolinio magnetinio rezonanso (BMR) duomenis.
BMR, medicininio magnetinio rezonanso tomografijos spektroskopinis pusbrolis, veikia kaip molekulinis mikroskopas, pagrįstas atomų branduolių magnetiniais sukiniais. Nustatydami, kaip šie sukiniai reaguoja į magnetinius laukus ir radijo dažnių signalus, mokslininkai gali nustatyti santykines atomų padėtis ir, atitinkamai, molekulės struktūrą. Tai yra pagrindinis chemijos, biologijos ir medžiagų mokslo įrankis.
Problema ta, kad molekulėms padidėjus arba sukinių sąveikoms sudėjus sudėtingumą, klasikiniai BMR duomenų interpretavimo metodai tampa brangūs skaičiavimo požiūriu. Būtent čia praverčia „Quantum Echoes“: jo gebėjimas sekti chaotiškos sistemos vidinę kvantinę dinamiką leidžia efektyviau modeliuoti sukinių sąveikas dideliais atstumais.
Berkeley atliktame koncepcijos įrodymo tyrime kvantiniu algoritmu gauti rezultatai atitiko tradicinius abiejų molekulių BMR matavimus, o tai yra pirmas tvirtas šio metodo patvirtinimas. Be to, kvantinė analizė atskleidė papildomų detalių apie sukinio dinamiką, kurių paprastai neįmanoma gauti naudojant klasikinius metodus, o tai rodo didesnį jautrumą.
Tokie tyrėjai kaip Ashokas Ajoy'us, „Google Quantum AI“ bendradarbis ir Berklio universiteto profesorius, jau kalba apie būsimą „kvantinę spektroskopiją“, galinčią peržengti dabartinius apribojimus . Pagal šį scenarijų, eksperimentinės BMR ir kvantinių algoritmų, tokių kaip „Quantum Echoes“, derinys galėtų tapti aukščiausio lygio įrankiu kuriant naujus vaistus, geriau suprantant sudėtingas ligas, tokias kaip Alzheimerio liga, arba kuriant pažangias medžiagas baterijoms, polimerams ar net patiems superlaidiems kubitams.
Galimas poveikis medicinai, medžiagų mokslui ir kitoms pramonės šakoms
Jei „Google“ pažadai išsipildys, „Quantum Echoes“ galėtų būti pirmas rimtas žingsnis link kvantinių kompiuterių su apčiuopiamomis, realiomis pritaikymo galimybėmis . Gebėjimas tiksliai modeliuoti daugiakūnes kvantines sistemas turi tiesioginių pasekmių tokioms sritims kaip skaičiavimo chemija, kur sudėtingų elektroninių sąveikų modeliavimas yra beveik neįmanoma problema klasikiniams skaičiavimams.
Biomedicinos srityje tai reiškia galimybę daug efektyviau tyrinėti kandidatų vaistų molekulių erdvę . Užuot aklai testavus tūkstančius junginių, kvantinis kompiuteris galėtų padėti numatyti, kurios struktūros geriausiai atitinka konkretų biologinį taikinį, taip paspartindamas neurodegeneracinių ligų, vėžio ir kitų sudėtingų ligų gydymo būdų kūrimą.
Medžiagų moksle ta pati logika taikoma ir kuriant naujus junginius su specifinėmis savybėmis : stabilesnius superlaidininkus, didesnio energijos tankio akumuliatorių medžiagas, pažangius polimerus arba lengvesnius ir tvirtesnius lydinius. Kvantinės dinamikos valdymas mikroskopiniu lygmeniu lemia, ar bus testuojami atsitiktiniai deriniai, ar tikslesnis projekto derinimas naudojant patikimą modeliavimą.
Prie viso to prisideda ir galimas poveikis tokioms sritims kaip kibernetinis saugumas. Nors pats „Quantum Echoes“ nėra skirtas šifravimui nulaužti, jis yra tos pačios pažangos bangos, kuri priartina naudingas kvantines mašinas, dalis . Saugumo bendruomenė jau diskutuoja apie strategiją „nuimk dabar, iššifruok vėliau“: vogti duomenis šiandien, kad juos iššifruotų, kai egzistuoja kvantiniai kompiuteriai, galintys nulaužti dabartinius kriptografinius algoritmus. Tai paskatino tokias organizacijas kaip Europos Sąjunga ir ENISA planuoti perėjimą prie postkvantinių sistemų.
Geopolitiniu lygmeniu „Google“ žingsnis yra aršios konkurencijos su tokiais milžinais kaip IBM, „Microsoft“ ir įvairiais Kinijos žaidėjais dalis . Tokios platformos kaip „Wukong“ Kinijoje arba IBM sukurti superlaidūs kubitai ir ilgaamžiai loginiai kubitai rodo, kad niekas nenori būti paliktas nuošalyje. Patikrintas kvantinis pranašumas, kuriuo teigia „Google“, yra ne tik mokslinis proveržis, bet ir strateginė žinia apie jos poziciją šiose lenktynėse.
Dabartiniai mokslo bendruomenės apribojimai ir skepticizmas
Tai ne vien fejerverkai. Nors „Quantum Echoes“ eksperimentas yra šuolis į priekį, palyginti su ankstesniais etapais, keli ekspertai pabrėžia, kad vis dar esame akivaizdžiai eksperimentinėje fazėje . Kol kas demonstracijos buvo atliekamos su santykinai mažomis molekulėmis ir kvantinėmis grandinėmis, kurios, nors ir įspūdingos, vis dar toli gražu neatitinka to, ko reikėtų didelio masto pramonės problemoms spręsti.
Remiantis pačios „Google“ sudarytais skaičiavimais, norint sukurti molekules, kurioms reikia maždaug 50 atitinkamo sudėtingumo fizinių kubitų , reikėtų vykdyti nuo šimtų tūkstančių iki kelių milijonų kvantinių loginių vartų. Šis skaičius gerokai viršija 792 vartus, naudojamus dabartiniuose eksperimentuose, o klaidų mažinimo metodai, kurie veikia šiame režime, gali būti netinkami daug gilesnėms grandinėms.
Viena pasikartojanti kritika yra ta, kad nors demonstracija rodo realų kvantinį pranašumą, dar neįrodyta, kad ji turi reikšmingą praktinį pritaikymą . Kitaip tariant, algoritmas padėjo patvirtinti metodus ir ištirti sistemas, kurias galima valdyti patobulintais klasikiniais metodais, tačiau jis dar neišsprendė problemos, kuri klasikiniams skaičiavimams yra visiškai nepasiekiama konkrečiame pramoniniame ar medicininiame kontekste.
Be to, klaidų taisymas išlieka pagrindine kliūtimi. Didelio masto kvantinių kompiuterių veikimui reikalingi patikimi loginiai kubitai, sudaryti iš daugelio fizinių kubitų , kad būtų galima aptikti ir ištaisyti atskiras klaidas neprarandant duomenų. „Google“ šį tikslą įvardijo kaip trečiąjį savo kvantinio plano etapą: pasiekti ilgaamžį loginį kubitą, kuris galėtų pakankamai ilgai atlaikyti sudėtingų algoritmų vykdymo reikalavimus, kad veiktų be gedimų.
Nepaisant šių abejonių, net ir atsargiausi balsai pripažįsta, kad kvantinių aidų metodas galėtų būti svarbus preliminarus žingsnis siekiant įrodyti praktinį pritaikymą. Svarbiausia bus tai, ar kitos laboratorijos galės pakartoti eksperimentą, patobulinti konkuruojančius klasikinius algoritmus ir, svarbiausia, pritaikyti šiuos metodus sistemoms su daugiau kubitų ir vartų be staigiai didėjančių klaidų.
Žvelgiant į platesnį vaizdą, „Quantum Echoes“ išsiskiria kaip aiškus ženklas, kad kvantinė techninė ir programinė įranga tobulėja lygiagrečiai . „Willow“ parodo, kad įmanoma dirbti su pakankamai mažu klaidų dažniu, kad būtų galima naudoti subtilius laiko apvertimo protokolus, o algoritmas atveria duris į programas, kurios tiesiogiai sprendžia realaus pasaulio fizikos problemas. Dar laukia ilgas kelias, tačiau pirmieji taikomųjų kvantinių skaičiavimų atgarsiai jau girdimi garsiai ir aiškiai.
