Kaip veikia „Google“ kvantinių aidų algoritmas

Informatec Digital » Ištekliai » Kaip veikia „Google“ kvantinių aidų algoritmas

La Kvantiniai skaičiavimai nebėra tik teorija pradėti įsitraukti į pokalbius apie mediciną, pažangias medžiagas ar kibernetinį saugumą. „Google“ jau daugelį metų bando tai įrodyti jų kvantiniai kompiuteriai Tai ne tik akį traukiantys prototipai, bet ir įrankiai su realiomis pritaikymo galimybėmis. Bendrovė teigia pasiekusi vieną iš tų etapų, kurie gali pakeisti šių technologinių lenktynių tempą, pasitelkdama „Quantum Echoes“ algoritmą ir „Willow“ lustą.

Šis naujas algoritmas, a ne eilės koreliatorius Sukurtas tirti, kaip kvantinė informacija sklinda sudėtingose ​​sistemose, jis yra ne tik neįtikėtinai greitas: remiantis paskelbtais duomenimis, jis veikia apie 13 000 kartų greičiau nei geriausi klasikiniai superkompiuteriai, atliekantys lygiavertę užduotį. Tačiau įdomiausia tai, kad tai yra patikrinamas algoritmas, o tai reiškia, kad jo rezultatus galima pakartoti ir patikrinti kituose panašiuose kvantiniuose įrenginiuose – tai yra pagrindinis veiksnys, jei norime, kad ši technologija išplistų už laboratorijos ribų.

Kas tiksliai yra „Quantum Echoes“ ir kodėl visi apie tai kalba?

Kvantiniai aidai yra OTOC tipo kvantinis algoritmas (Ne laiko eilės koreliatorius). 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 savotišką kruopščiai sukurtas kvantinis aidasPirmiausia „Willow“ lustas gauna sudėtingą kvantinį signalą, kuris priverčia sistemą evoliucionuoti. Tada į konkretų kubitą įvedamas nedidelis trikdymas, o vėliau vykdoma atvirkštinė operacijų seka, siekiant bandyti anuliuoti procesą. Viso šio proceso pabaigoje sistema grąžina pradinės būsenos kvantinį „aidojimą“, kuris, konstruktyvios interferencijos dėka, yra sustiprinamas ir atskleidžia labai tikslią informaciją apie tai, kas įvyko.

Teoriniu požiūriu, šio tipo ne eilės koreliatoriai naudojami tyrimui kaip informacija maišosi ir plinta itin sudėtingose ​​sistemosepavyzdžiui, modeliai, apibūdinantys juodąsias skyles ar egzotines kvantines medžiagas. 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 iš jų buvo paskelbtas 2013 m. GamtaViename straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama algoritmo ir jo patikrinamo kvantinio pranašumo demonstravimui, o kitame, paskelbtame „arXiv“ saugykloje, labiau orientuojamasi į galimus pritaikymus chemijoje ir spektroskopijoje. Tarp „Nature“ straipsnio pasirašiusiųjų yra Michelis Devoretas, 2025 m. Nobelio fizikos premijos laureatas ir pagrindinė superlaidžiųjų kubitų kūrimo figūra.

Pasak įmonės inžinierių, Kvantiniai aidai veikia 13 000 kartų greičiau ant „Willow“ drožlės, kuri yra geriausia lygiavertis klasikinis algoritmas vykdoma galingiausiuose pasaulio superkompiuteriuose. Praktiškai tai, ką klasikinei mašinai išspręsti prireiktų tūkstančių ar trilijonų metų, Willow atlieka per kelias minutes, peržengdamas tai, kas laikoma visaverčiu kvantiniu pranašumu.

Kvantinių skaičiavimų pagrindai algoritmui suprasti

Norint aiškiai suprasti, kaip veikia „Quantum Echoes“, verta prisiminti, kad Kvantinis kompiuteris neveikia su klasikiniais bitais.bet su kubitais. Nors bitas gali būti tik 0 arba 1, kubitas gali būti abiejų būsenų superpozicijoje tuo pačiu 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 superlaidūs kontūrai„Google“, kaip ir kitos įmonės, investuoja į superlaidžius kubitus – tiesioginius Devoret ir kitų tyrėjų devintajame dešimtmetyje pradėtų 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 ne kas kita, kaip loginių vartų seka kurie taikomi a persidengiančių ir susipynusių kubitų tinklasGrandinei tobulėjant, tikimybių amplitudės viena kitą sustiprina arba panaikina dėl interferencijos. Gudrybė yra sukurti algoritmą taip, kad galiausiai teisingi sprendimai būtų sustiprinti ir taptų labiausiai tikėtinais matuojant sistemą.

Konstruktyvi interferencija, vienas iš kvantinių aidų raktų, atsiranda, kai kvantinės bangos išsirikiuoja fazėje ir jie susisumuoja, o ne panaikina vienas kitą. Jei grandinė gerai suprojektuota, šis efektas aiškiai išskiria galutinį algoritmo „aido“ efektą iš foninio triukšmo ir leidžia 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 triukšmo akivaizdojeMinimalūs temperatūros, vibracijų, elektromagnetinės spinduliuotės ar išorinių trukdžių pokyčiai gali sukelti kubitų paklaidas, sutrikdyti sistemos koherenciją ir sugadinti skaičiavimus. Todėl kvantinių paklaidų valdymas ir dekoherencijos mažinimas yra du pagrindiniai pramonės iššūkiai.

Kaip „Quantum Echoes“ žingsnis po žingsnio veikia „Willow“ luste

Gluosnis yra paskutinis „Google“ superlaidus kvantinis lustasIr 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 įprastas superkompiuteris negalėjo atlikti per dešimtis septyniasdešimt metų. Su „Quantum Echoes“ Willow vėl užima centrinę vietą.

Pagrindinę algoritmo schemą galima suprasti kaip kvantinio „laiko atsukimo“ patirtį, nors Niekas nesiunčiama į praeitįProcesas apima operacijų sekos taikymą sistemai, nedidelio trikdymo įvedimą konkrečiam kubitui ir tos pačios sekos vykdymą atvirkštine tvarka su dideliu tikslumu. Jei viskas tinkamai suderinta, sistema grįžta į beveik pradinę būseną ir skleidžia interferometrinį aidą, kuriame yra daug informacijos.

Labai supaprastinta procedūra susideda iš trijų pagrindinių etapų: pirma, gerai kontroliuojama pradinė būsena kubitų rinkinyjeTada ta būsena leidžiama vystytis per kvantinių vartų seką, kuri ją paverčia labai sudėtinga ir chaotiška; galiausiai atliekamas grandinės laiko apvertimas, proceso viduryje pakeičiamas kubitas ir stebima, kaip tas trikdis veikia galutinį aidą.

Šios konfigūracijos grožis yra tas, kad gale išmatuotas aidas nėra silpnas atspindys, o signalas, sustiprintas konstruktyvi interferencijaBūtent 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, kurie yra mažesni už ribą, ties kuria tampa įmanomas didelio masto klaidų taisymas.

Kai kuriuose aprašytuose eksperimentuose kvantinė mašina sugebėjo išspręsti problemą kiek daugiau nei per dvi valandas, o „Frontier“ superkompiuteriui – vienam galingiausių pasaulyje – būtų reikėję apie 3,2 metų nepertraukiamo skaičiavimo vykdyti lygiavertį klasikinį kodą. 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 Tai nelieka paprastu kvantinės viršenybės pratimu be pritaikymoKitaip nei ankstesni eksperimentai, kuriuose daugiausia dėmesio skirta dirbtinėms matematinėms problemoms, kurias sunku pritaikyti realiame pasaulyje, čia algoritmas naudojamas labai specifiniams fiziniams procesams imituoti: realių molekulių struktūra ir dinamika taip pat tiriama branduolinio magnetinio rezonanso metodu.

Patikrinamas kvantinis pranašumas: kuo šis proveržis kitoks

Iki šiol daugelis „kvantinės viršenybės“ pareiškimų sulaukdavo kritikos, nes Nebuvo aišku, kaip nepriklausomai patikrinti rezultatus nei kokią praktinę naudą turėjo išspręstos problemos. Pavyzdžiui, „Google“ 2019 m. pasiekimas buvo atlikti atsitiktinės grandinės atrankos skaičiavimą, kurio per pagrįstą laiką negalėtų pakartoti joks superkompiuteris, tačiau kuris taip pat neturėjo jokios naudos už laboratorijos ribų.

Su „Quantum Echoes“ bendrovė bando išspręsti šią diskusiją eksperimentu, kuris nuo pat pradžių buvo sukurtas taip, kad būtų patikrinamas ir pakartokite triuką visiems, kurie jo noriAlgoritmas buvo įgyvendintas su parametrais ir konfigūracijomis, kurias kitos tyrimų grupės, turėdamos panašią kvantinę įrangą, gali bandyti atkartoti. Be to, kvantinio modeliavimo rezultatai palyginami su klasikiniais fizikiniais matavimais, gautais naudojant nusistovėjusius metodus.

„Google“ teigiamas „kvantinis patikrinamumas“ remiasi dviem ramsčiais: pirma, tuo, kad skaičiavimus galima atkurti kitose panašiose kvantinėse mašinose; antra, galimybe... palyginti algoritmo išvestį su eksperimentiniais duomenimis branduolinio magnetinio rezonanso tomografija arba klasikiniai modeliavimai tais atvejais, kai jie vis dar įmanomi. Šis dvigubas patvirtinimas suteikia pagrindo teiginiui, kad mes nesusiduriame su tiesiog sunkiai patikrinamu matematiniu triuku.

Kad tokio tipo demonstracija būtų įmanoma, aparatinė įranga turi būti sujungta didelės spartos operacijos su itin mažu klaidų lygiuBet koks nukrypimas laiko keitimo sekoje sugadina galutinį aidą. Tai, kad Willow pavyko įveikti šį iššūkį nesugriuvus, 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 atkreipia dėmesį, kad... Jau buvo paskelbti kiti kvantiniai pranašumai, kurie vėliau buvo patvirtinti. Nors kitos grupės tobulino klasikinius algoritmus arba rado būdų, kaip apytiksliai apskaičiuoti rezultatus naudojant įprastus kompiuterius, mokslo bendruomenė dabar tikrina, kiek „Google“ eksperimentas žymi aiškią ribą.

Taikymas chemijoje: molekulės, BMR ir „kvantoskopo“ svajonė

Vienas ryškiausių „Quantum Echoes“ aspektų yra jo naudojimas kaip įrankio cheminis modeliavimas ir kvantinė spektroskopijaBendradarbiaudama su Kalifornijos universitetu Berklyje, „Google“ paleido algoritmą „Willow“ kompiuteryje, kad ištirtų dvi molekules: vieną su 15 atomų, o kitą – su 28, palyginimui naudodama eksperimentinius branduolinio magnetinio rezonanso (BMR) duomenis.

MRT, medicininio magnetinio rezonanso tomografijos spektroskopinis pusbrolis, veikia kaip molekulinis mikroskopas, pagrįstas magnetiniais „sukiniais“ atominių branduolių. Nustatydami, kaip šie sukiniai reaguoja į magnetinius laukus ir radijo dažnių signalus, mokslininkai gali nustatyti santykinę atomų padėtį ir, atitinkamai, molekulės struktūrą. Tai yra esminis chemijos, biologijos ir medžiagų mokslo įrankis.

Problema ta, kad kai molekulės tampa didelės arba sąveika tarp sukinių tampa sudėtingesnė, Klasikiniai BMR duomenų interpretavimo metodai tampa itin brangūs Skaičiavimo požiūriu. Čia ir praverčia „Quantum Echoes“: jo gebėjimas sekti chaotiškos sistemos vidinę kvantinę dinamiką leidžia efektyviau modeliuoti sąveiką tarp sukinių dideliais atstumais.

Koncepcijos įrodyme, atliktame su Berkeley, kvantiniu algoritmu gauti rezultatai Jie sutapo su tradiciniais MRT matavimais. abiem molekulėms, o tai buvo pirmas tvirtas metodo patvirtinimas. Tačiau be to, kvantinė analizė atskleidė daugiau detalių apie sukinio dinamiką, kurių paprastai neįmanoma gauti naudojant klasikinius metodus, o tai rodo didesnį jautrumą.

Tokie tyrėjai kaip Ashok Ajoy, „Google Quantum AI“ bendradarbis ir Berklio universiteto profesorius, jau kalba apie ateitį. „Kvantinė spektroskopija“, galinti peržengti dabartines ribasTokiu atveju eksperimentinio BMR ir kvantinių algoritmų, tokių kaip „Quantum Echoes“, derinys galėtų tapti aukščiausio lygio įrankiu ieškant naujų vaistų, geriau suprantant sudėtingas ligas, tokias kaip Alzheimerio liga, arba kuriant pažangias medžiagas baterijoms, polimerams ar net patiems superlaidiesiems kubitams.

Galimas poveikis medicinai, medžiagų mokslui ir kitoms pramonės šakoms

Jei „Google“ pažadai išsipildys, „Quantum Echoes“ galėtų būti pirmas rimtas žingsnis link... kvantiniai kompiuteriai su apčiuopiamomis realiomis programomisGebėjimas tiksliai modeliuoti daugelio kūnų kvantines sistemas turi tiesioginių pasekmių tokiose srityse kaip skaičiavimo chemija, kur sudėtingų elektroninių sąveikų modeliavimas yra beveik neįmanoma problema klasikinei kompiuterijai.

Biomedicinos srityje tai reiškia galimybę daug efektyviau ištirti vaistų kandidatų molekulių erdvęUžuot aklai testavęs tūkstančius junginių, kvantinis kompiuteris galėtų padėti numatyti, kurios struktūros geriausiai atitinka konkretų biologinį taikinį, paspartindamas neurodegeneracinių ligų, vėžio ar kitų sudėtingų ligų gydymo būdų kūrimą.

Medžiagų moksle ta pati logika galioja ir kurti naujus junginius su specifinėmis savybėmisStabilesni superlaidininkai, didesnio energijos tankio akumuliatorių medžiagos, pažangūs polimerai arba lengvesni ir tvirtesni lydiniai. Kvantinės dinamikos valdymas mikroskopiniu lygmeniu lemia, ar testuoti atsitiktinius derinius, ar tiksliai suderinti rezultatus 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... ta pati pažangos banga, kuri priartina kvantines mašinas prie naudingumoSaugumo bendruomenė jau kalba apie strategiją „nuimk dabar, iššifruok vėliau“: vogti duomenis šiandien, kad juos iššifruotų, kai egzistuoja kvantiniai kompiuteriai, galintys sulaužyti dabartinius kriptografinius algoritmus, todėl tokios organizacijos kaip Europos Sąjunga ir ENISA planuoja perėjimą prie postkvantinių sistemų.

Geopolitiniu lygmeniu „Google“ žingsnis atitinka Arši konkurencija su tokiais milžinais kaip IBM, „Microsoft“ ir keliais Kinijos žaidėjaisTokios 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 mokslinė pažanga, 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 Mes vis dar akivaizdžiai esame 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“ surinktais skaičiavimais, norint gauti molekules, kurioms reikia maždaug 50 atitinkamo sudėtingumo fizinių kubitųTam reikėtų nuo šimtų tūkstančių iki kelių milijonų kvantinių loginių vartų. Šis skaičius gerokai viršija dabartiniuose eksperimentuose naudojamus 792 vartus, o klaidų mažinimo metodai, kurie veikia šiame režime, gali būti netinkami daug gilesnėms grandinėms.

Viena iš pasikartojančių kritikos iškeltų klausimų yra ta, kad nors demonstracija rodo realų kvantinį pranašumą, Didelio poveikio praktinis panaudojimas dar neįrodytasKitaip tariant, algoritmas padėjo patvirtinti metodus ir ištirti sistemas, kurias galima valdyti patobulintais klasikiniais metodais, tačiau jis dar neišsprendė problemos, kuri buvo visiškai nepasiekiama klasikiniams skaičiavimams konkrečiame pramoniniame ar medicininiame kontekste.

Be to, klaidų taisymo klausimas išlieka kliūtimi. Didelio masto kvantinių kompiuterių veikimui reikia Tvirti loginiai kubitai, sudaryti iš daugelio fizinių kubitųkad būtų galima aptikti ir ištaisyti atskiras klaidas neprarandant informacijos. „Google“ šį tikslą įvardijo kaip trečiąjį savo kvantinio plano etapą: pasiekti ilgalaikį loginį kubitą, kuris galėtų atlaikyti sudėtingų algoritmų vykdymo reikalavimus be gedimų.

Nepaisant šių abejonių, net ir atsargiausi balsai pripažįsta, kad Kvantiniai aidai gali būti svarbus parengiamasis žingsnis siekiant parodyti praktinį naudingumą. Svarbiausia bus išsiaiškinti, ar kitos laboratorijos gali pakartoti eksperimentą, patobulinti konkuruojančius klasikinius algoritmus ir, svarbiausia, pritaikyti šiuos metodus sistemoms su daugiau kubitų ir daugiau vartų be staigaus klaidų skaičiaus augimo.

Žvelgiant į platesnį vaizdą, „Quantum Echoes“ formuojasi kaip... aiškus ženklas, kad kvantinė aparatinė ir programinė įranga vystosi lygiagrečiaiWillow pademonstruoja, kad įmanoma dirbti su pakankamai mažu klaidų dažniu, kad būtų galima taikyti subtilius laiko keitimo protokolus, o algoritmas atveria duris į programas, kurios tiesiogiai sprendžia realaus pasaulio fizines problemas. Dar laukia ilgas kelias, tačiau pirmieji taikomųjų kvantinių skaičiavimų atgarsiai jau pradeda girdėti garsiai.

Susijęs straipsnis:

„Google AI apžvalgos“ atvyksta į Ispaniją: kas tai yra ir kaip ji keičia paiešką