- Kvantu atbalsis ir taimauta secības korelators, kas, izmantojot ļoti jutīgu interferometrisku atbalsi, mēra kvantu informācijas izplatīšanos sarežģītās sistēmās.
- Darbojoties uz Willow mikroshēmas, algoritms piedāvā pārbaudāmu kvantu priekšrocību, kas ir līdz pat 13 000 reižu ātrāka nekā labākie klasiskie superdatori līdzvērtīgos uzdevumos.
- Eksperimenti ar reālām molekulām un NMR dati apstiprina tā potenciālu ķīmijā, zāļu atklāšanā un materiālzinātnē, lai gan tas joprojām ir sākumposmā.
- Kritiskas problēmas, piemēram, kļūdu labošana un mērogojamība attiecībā uz ilgstošām loģikas kubitēm, joprojām pastāv, pirms mēs redzam masveida kvantu lietojumprogrammas.
Kvantu skaitļošana ir pārsniegusi teorijas robežas un tagad ietekmē diskusijas par medicīnu, progresīviem materiāliem un kiberdrošību. Google ir pavadījis gadus, cenšoties pierādīt, ka tā kvantu datori nav tikai uzmanību piesaistoši prototipi, bet gan rīki ar reāliem pielietojumiem. Ar Quantum Echoes algoritmu un savu Willow mikroshēmu uzņēmums apgalvo, ka ir sasniedzis vienu no šiem pagrieziena punktiem, kas varētu mainīt šīs tehnoloģiskās sacensības tempu.
Šis jaunais algoritms, laika pārsniegšanas korelators, kas paredzēts, lai pētītu kvantu informācijas izplatīšanos sarežģītās sistēmās, ir ne tikai neticami ātrs — saskaņā ar publicētajiem datiem tas darbojas aptuveni 13 000 reižu ātrāk nekā labākie klasiskie superdatori līdzvērtīga uzdevuma veikšanai —, bet visinteresantākais ir tas, ka tas ir pārbaudāms algoritms, kas nozīmē, ka tā rezultātus var atkārtot un pārbaudīt citās līdzīgās kvantu ierīcēs, kas ir galvenais faktors, ja vēlamies, lai šī tehnoloģija pārsniegtu laboratorijas robežas.
Kas īsti ir Kvantu atbalsis un kāpēc visi par to runā?
Kvantu atbalsis ir OTOC (ārpus laika secības korelators) kvantu algoritms . Tā galvenā funkcija ir izmērīt, kā mainās kubita stāvoklis pēc tam, kad kvantu sistēma tiek pakļauta virknei darbību un pēc tam "attīta" tās evolūcija. Praksē tas darbojas kā kvantu haosa termometrs: tas analizē, kā informācija tiek izkliedēta kubitu kopā, mērot tādus lielumus kā magnetizācija, blīvums, strāvas un ātrums.
Google piedāvā izmantot šo algoritmu kā sava veida rūpīgi izstrādātu kvantu atbalsi . Vispirms Willow mikroshēma saņem sarežģītu kvantu signālu, kas izraisa sistēmas attīstību. Pēc tam noteiktā kubitā tiek ieviesta neliela perturbācija, un pēc tam tiek veikta apgriezta darbību secība, lai mēģinātu atsaukt procesu. Visa šī ceļojuma beigās sistēma atgriež sākotnējā stāvokļa kvantu "atbalsi", kas, pateicoties konstruktīvajai interferencei, tiek pastiprināta un atklāj ļoti precīzu informāciju par to, kas noticis ceļā.
No teorētiskā viedokļa šāda veida laika ziņā ārpuskārtas korelatori tiek izmantoti, lai pētītu, kā informācija sajaucas un izplatās ārkārtīgi sarežģītās sistēmās , piemēram, modeļos, kas apraksta melnos caurumus vai eksotiskus kvantu materiālus. Jaunums ir tas, ka pirmo reizi tie ir pārnesti no teorijas uz laboratoriju ar eksperimentu, ko var atkārtot un pārbaudīt, un kas norāda arī uz ļoti specifiskiem fizikāliem pielietojumiem.
Google ir prezentējis šos rezultātus divos savstarpēji papildinošos rakstos: viens publicēts žurnālā Nature , koncentrējoties uz algoritma un tā pārbaudāmās kvantu priekšrocības demonstrēšanu, un otrs ievietots arXiv repozitorijā, vairāk orientēts uz potenciāliem pielietojumiem ķīmijā un spektroskopijā. Starp Nature raksta autoriem ir Mišels Devorē, 2025. gada Nobela prēmijas fizikā laureāts un viena no galvenajām personām supravadošo kubitu izstrādē.
Pēc uzņēmuma inženieru domām, Quantum Echoes uz Willow mikroshēmas darbojas 13 000 reižu ātrāk nekā labākais līdzvērtīgais klasiskais algoritms, kas darbojas uz pasaules jaudīgākajiem superdatoriem. Praktiski runājot, to, ko klasiskai mašīnai atrisinātu tūkstošiem vai triljoniem gadu, Willow paveic dažu minūšu laikā, pārkāpjot to, kas tiek uzskatīts par patiesu kvantu priekšrocību slieksni.
Kvantu skaitļošanas pamati, lai izprastu algoritmu
Lai iegūtu skaidru priekšstatu par to, kā darbojas kvantu atbalsis, ir lietderīgi atcerēties, ka kvantu dators nedarbojas ar klasiskajiem bitiem , bet gan ar kubitiem. Lai gan bits var būt tikai 0 vai 1, kubits var atrasties abu stāvokļu superpozīcijā vienlaikus. Tas ļauj kubitu kopai vienlaikus attēlot milzīgu skaitu nulles un vieninieka kombināciju.
Kubiti tiek ieviesti, manipulējot ar fiziskām sistēmām, piemēram, fotoniem, elektroniem, iesprostotiem joniem, atomiem vai supravadošām shēmām . Google, tāpat kā citi uzņēmumi, liek uz supravadošām kubitām, kas ir tieši Devoret un citu pētnieku 20. gs. astoņdesmitajos gados uzsākto makroskopisko kvantu shēmu eksperimentu pēcteči. Šie kubiti var sapīties, tas ir, tiem var būt kopīgs kvantu stāvoklis un tie var veidot kolektīvas struktūras, kur varbūtības apvienojas kā viļņi.
Šajā kontekstā kvantu algoritms ir vienkārši loģisko vārtu secība, kas tiek piemērota pārklājošos un savstarpēji saistītu kubitu tīklam . Ķēdei attīstoties, varbūtības amplitūdas pastiprina vai atceļ viena otru, izmantojot interferenci. Knifs ir izstrādāt algoritmu tā, lai galu galā pareizie risinājumi tiktu pastiprināti un kļūtu par visticamākajiem, mērot sistēmu.
Konstruktīvā interference, viens no kvantu atbalss teorijas galvenajiem aspektiem, rodas, kad kvantu viļņi sakrīt fāzē un summējas, nevis viens otru atceļ. Ja shēma ir labi izstrādāta, šis efekts liek algoritma galīgajai "atbalsij" skaidri izcelties no fona trokšņa, ļaujot ļoti jutīgi nolasīt, kā informācija ir izplatījusies sistēmā, pat ja starpposma process ir bijis ļoti haotisks.
Tas viss izklausās ļoti spēcīgi, taču tam ir arī nopietna problēma: kvantu sistēmu trauslums pret troksni . Minimālas temperatūras, vibrāciju, elektromagnētiskā starojuma vai ārēju traucējumu svārstības var radīt kļūdas kubitos, izjaukt sistēmas koherenci un sabojāt aprēķinu. Tāpēc kvantu kļūdu kontrole un dekoherences samazināšana ir divi no lielākajiem nozares izaicinājumiem.
Kā Quantum Echoes soli pa solim darbojas uz Willow mikroshēmas
Willow ir Google jaunākā supravadošā kvantu mikroshēma , un tā ir aparatūras daļa, uz kuras darbojas Quantum Echoes. Šis procesors jau ir piesaistījis uzmanību, veicot etalontestus nejaušu ķēžu paraugu ņemšanai mazāk nekā piecās minūtēs — uzdevumus, ko klasiskais superdators nevarēja paveikt desmitiem septiljonu gadu. Ar Quantum Echoes Willow atkal ieņem centrālo vietu.
Algoritma pamatshēmu var saprast kā kvantu "laika atpakaļtīšanas" eksperimentu, lai gan nekas netiek nosūtīts uz pagātni . Tiek veikta darbību secības piemērošana sistēmai, neliela perturbācija noteiktam kubitam un pēc tam tā pati secība tiek izpildīta apgrieztā secībā ar ārkārtīgu precizitāti. Ja viss ir precīzi noregulēts, sistēma atgriežas tuvu sākotnējam stāvoklim un izdala interferometrisku atbalsi, kas satur daudz informācijas.
Ļoti vienkāršotā veidā procedūra ietver trīs galvenos posmus: vispirms kubitu kopā tiek sagatavots labi kontrolēts sākotnējais stāvoklis ; pēc tam šim stāvoklim ļauj attīstīties, izmantojot kvantu vārtu secību, kas to padara ļoti sarežģītu un haotisku; visbeidzot, tiek veikta ķēdes laika maiņa, procesa vidū tiek mainīts kubits un tiek novērota šīs perturbācijas ietekme uz galīgo atbalsi.
Šīs iekārtas skaistums slēpjas faktā, ka beigās izmērītā atbalss nav vāja atstarošanās, bet gan signāls, ko pastiprina konstruktīvi traucējumi . Tieši šī iemesla dēļ šī metode ir ārkārtīgi jutīga pret nelielām izmaiņām sistēmas iekšējā dinamikā. Google ir izmantojis šo jutību, lai eksponenciāli samazinātu mikroshēmas efektīvo kļūdu līmeni, sasniedzot rezultātus zem sliekšņa, pie kura kļūst iespējama liela mēroga kļūdu korekcija.
Dažos no aprakstītajiem eksperimentiem kvantu mašīna spēja atrisināt problēmu nedaudz vairāk kā divās stundās, savukārt Frontier superdatoram — vienam no jaudīgākajiem pasaulē — būtu nepieciešami aptuveni 3,2 gadi nepārtrauktas skaitļošanas, lai palaistu līdzvērtīgu klasisko kodu. Šī milzīgā veiktspējas atšķirība apvienojumā ar to, ka rezultātu var atkārtot Willow vai citās līdzīgas kvalitātes ierīcēs, ir tā sauktās "pārbaudāmās kvantu priekšrocības" pamatā.
Turklāt Google izmantotais protokols nav tikai vienkāršs kvantu pārākuma vingrinājums bez praktiska pielietojuma . Atšķirībā no iepriekšējiem eksperimentiem, kas koncentrējās uz mākslīgām matemātiskām problēmām, kuras ir grūti transponēt reālajā pasaulē, šeit algoritms tiek izmantots, lai simulētu ļoti specifiskus fizikālus procesus: reālu molekulu struktūru un dinamiku, kas arī tika pētīta, izmantojot kodolu magnētisko rezonansi.
Pārbaudāma kvantu priekšrocība: kāpēc šis sasniegums ir atšķirīgs
Līdz šim daudzi paziņojumi par "kvantu pārākumu" tika kritizēti, jo nebija skaidrs, kā neatkarīgi pārbaudīt rezultātus vai kāds ir atrisināto problēmu praktiskais pielietojums. Piemēram, Google 2019. gada sasniegums bija aprēķina veikšana, izmantojot nejaušu shēmu paraugus, ko neviens superdators nevarētu atkārtot saprātīgā laikā, bet kam arī nebija pielietojuma ārpus laboratorijas.
Ar Quantum Echoes uzņēmums vēlas atrisināt šīs debates ar eksperimentu, kas jau no paša sākuma ir izstrādāts tā, lai to varētu pārbaudīt un atkārtot ikviens, kurš vēlas to izmēģināt . Algoritms ir ieviests ar parametriem un konfigurācijām, ko citas pētniecības grupas ar salīdzināmu kvantu aparatūru var mēģināt atkārtot. Turklāt kvantu simulācijas rezultāti tiek salīdzināti ar klasiskās fizikas mērījumiem, kas iegūti, izmantojot labi zināmas metodes.
Google apgalvotā “kvantu verificējamība” balstās uz diviem pīlāriem: pirmkārt, fakts, ka aprēķinus var reproducēt citās līdzīgās kvantu mašīnās; un, otrkārt, iespēja salīdzināt algoritma rezultātus ar eksperimentāliem kodolmagnētiskās rezonanses datiem vai ar klasiskajām simulācijām gadījumos, kad tās joprojām ir iespējamas. Šī divkāršā validācija piešķir svaru apgalvojumam, ka mēs neesam vienkārši darīšana ar matemātisku triku, kuru ir grūti verificēt.
Lai šāda veida demonstrācija būtu iespējama, aparatūrai ir jāapvieno ātrdarbīgas darbības ar ārkārtīgi zemu kļūdu līmeni . Jebkura novirze laika maiņas secībā sabojā galīgo atbalsi. Tas, ka Willow spēja pārvarēt šo izaicinājumu bez kļūmēm, nozīmē, ka vadība pār supravadošiem kubitiem ir sasniegusi ievērojamu līmeni, daudz nobriedušāku nekā tikai pirms dažiem gadiem.
Tomēr vairāki eksperti aicina ievērot piesardzību. Pētnieki, piemēram, Karloss Sabins no Madrides Autonomās universitātes Teorētiskās fizikas katedras, norāda, ka jau ir paziņots par citām kvantu priekšrocībām, kuras vēlāk tika kvalificētas, kad citas grupas uzlaboja klasiskos algoritmus vai atrada veidus, kā tuvināt rezultātus ar parastajiem datoriem. Zinātnieku aprindas pašlaik pārbauda, cik lielā mērā Google eksperiments nosaka stingru robežu.
Pielietojums ķīmijā: molekulas, NMR un sapnis par "kvantoskopu"
Viens no pārsteidzošākajiem Quantum Echoes aspektiem ir tā izmantošana kā ķīmiskās simulācijas un kvantu spektroskopijas rīks . Sadarbībā ar Kalifornijas Universitāti Bērklijā, Google ir palaidis algoritmu uz Willow, lai pētītu divas molekulas: vienu ar 15 atomiem un otru ar 28, izmantojot eksperimentālus kodolmagnētiskās rezonanses (NMR) datus kā salīdzināšanas punktu.
NMR, medicīniskās magnētiskās rezonanses attēlveidošanas spektroskopiskais brālēns, darbojas kā molekulārais mikroskops, kas balstīts uz atomu kodolu magnētiskajiem spiniem . Nosakot, kā šie spini reaģē uz magnētiskajiem laukiem un radiofrekvences signāliem, zinātnieki var secināt atomu relatīvās pozīcijas un līdz ar to arī molekulas struktūru. Tas ir fundamentāls instruments ķīmijā, bioloģijā un materiālzinātnē.
Problēma ir tā, ka, molekulām kļūstot lielām vai spinu mijiedarbībai kļūstot sarežģītai, klasiskās KMR datu interpretācijas metodes kļūst skaitļošanas ziņā dārgas. Tieši šeit noder kvantu atbalsis: tā spēja izsekot haotiskas sistēmas iekšējai kvantu dinamikai ļauj efektīvāk modelēt spinu mijiedarbību lielos attālumos.
Koncepcijas pierādījuma pētījumā, kas tika veikts ar Bērkliju, ar kvantu algoritmu iegūtie rezultāti atbilda tradicionālajiem NMR mērījumiem abām molekulām, kas ir pirmā spēcīgā pieejas validācija. Turklāt kvantu analīze atklāja papildu detaļas par spina dinamiku, ko parasti nevar iegūt ar klasiskajām metodēm, kas liecina par lielāku jutību.
Pētnieki, piemēram, Ašoks Ajojs, Google Quantum AI līdzstrādnieks un Bērklija profesors, jau runā par nākotnes "kvantu spektroskopiju", kas spētu pārsniegt pašreizējos ierobežojumus . Šādā scenārijā eksperimentālās NMR kombinācija ar kvantu algoritmiem, piemēram, Quantum Echoes, varētu kļūt par augstākās klases instrumentu jaunu zāļu atklāšanai, tādu sarežģītu slimību kā Alcheimera slimības labākai izpratnei vai progresīvu materiālu izstrādei baterijām, polimēriem vai pat pašiem supravadošiem kubitiem.
Iespējamā ietekme uz medicīnu, materiālzinātni un citām nozarēm
Ja Google solījumi piepildīsies, kvantu atbalsis varētu būt pirmais nopietnais solis ceļā uz kvantu datoriem ar taustāmiem, reālās pasaules pielietojumiem . Spēja precīzi modelēt daudzķermeņu kvantu sistēmas tieši ietekmē tādas jomas kā skaitļošanas ķīmija, kur sarežģītu elektronisko mijiedarbību simulēšana ir gandrīz nepieļaujama problēma klasiskajai skaitļošanai.
Biomedicīnas jomā tas nozīmē iespēju daudz efektīvāk izpētīt kandidātzāļu molekulu telpu . Tā vietā, lai akli testētu tūkstošiem savienojumu, kvantu dators varētu palīdzēt paredzēt, kuras struktūras vislabāk atbilst konkrētam bioloģiskajam mērķim, paātrinot neirodeģeneratīvo slimību, vēža un citu sarežģītu slimību ārstēšanas metožu izstrādi.
Materiālzinātnē tā pati loģika attiecas uz jaunu savienojumu ar specifiskām īpašībām izstrādi : stabilākiem supravadītājiem, akumulatoru materiāliem ar augstāku enerģijas blīvumu, progresīviem polimēriem vai vieglākiem un izturīgākiem sakausējumiem. Kvantu dinamikas kontrole mikroskopiskā līmenī rada atšķirību starp nejaušu kombināciju testēšanu un konstrukcijas precizēšanu ar uzticamu simulāciju.
Tam visam klāt nāk potenciālā ietekme uz tādām jomām kā kiberdrošība. Lai gan pats par sevi Quantum Echoes nav paredzēts šifrēšanas uzlaušanai, tas ir daļa no tā paša progresa viļņa, kas tuvina noderīgas kvantu mašīnas . Drošības kopiena jau apspriež stratēģiju "novākt tagad, atšifrēt vēlāk": zagt datus šodien, lai tos atšifrētu, kad pastāv kvantu datori, kas spēj uzlauzt pašreizējos kriptogrāfiskos algoritmus. Tas ir pamudinājis tādas organizācijas kā Eiropas Savienība un ENISA plānot pāreju uz postkvantu sistēmām.
Ģeopolitiskā līmenī Google solis ir daļa no sīvas konkurences ar tādiem milžiem kā IBM, Microsoft un dažādiem Ķīnas uzņēmumiem . Tādas platformas kā Wukong Ķīnā vai IBM izstrādes supravadošo kubitu un ilgmūžīgo loģisko kubitu jomā pierāda, ka neviens nevēlas palikt novārtā. Pārbaudāmā kvantu priekšrocība, ko Google apgalvo, papildus zinātniskam sasniegumam ir arī stratēģisks vēstījums par tā pozīciju šajā sacensībā.
Pašreizējie ierobežojumi un skepticisms zinātnieku aprindās
Tā nav tikai uguņošana. Lai gan Kvantu atbalss eksperiments ir lēciens uz priekšu salīdzinājumā ar iepriekšējiem sasniegumiem, vairāki eksperti uzsver, ka mēs joprojām atrodamies nepārprotami eksperimentālā fāzē . Pagaidām demonstrācijas ir veiktas ar relatīvi mazām molekulām un kvantu shēmām, kas, lai arī iespaidīgas, joprojām ir tālu no tā, kas būtu nepieciešams liela mēroga rūpniecisku problēmu risināšanai.
Saskaņā ar paša Google apkopotajām aplēsēm, lai iegūtu molekulas, kurām nepieciešami aptuveni 50 fizikālie kubiti ar atbilstošu sarežģītību , būtu jāizpilda no simtiem tūkstošu līdz vairākiem miljoniem kvantu loģisko vārtu. Šis skaitlis ir krietni lielāks par 792 vārtiem, ko izmanto pašreizējos eksperimentos, un kļūdu mazināšanas metodes, kas darbojas šajā režīmā, varētu nebūt labi mērogojamas daudz dziļākās shēmās.
Viens no atkārtotiem kritikas punktiem ir tāds, ka, lai gan demonstrācija parāda reālu kvantu priekšrocību, tai vēl nav pierādīts būtisks praktisks pielietojums . Citiem vārdiem sakot, algoritms ir kalpojis metožu validēšanai un sistēmu izpētei, kuras var apstrādāt ar uzlabotām klasiskajām metodēm, taču tas vēl nav atrisinājis problēmu, kas klasiskajai skaitļošanai ir pilnībā nesasniedzama konkrētā rūpnieciskā vai medicīnas kontekstā.
Turklāt kļūdu labošana joprojām ir būtisks šķērslis. Liela mēroga kvantu datoru darbībai ir nepieciešamas stabilas loģiskās kubitas, kas veidotas no daudzām fiziskām kubitēm , lai atsevišķas kļūdas varētu atklāt un labot, nezaudējot datus. Google ir noteicis šo mērķi kā sava kvantu ceļveža 3. atskaites punktu: sasniegt ilgstošu loģisko kubitu, kas spēj izturēt sarežģītu algoritmu darbināšanas prasības pietiekami ilgi, lai darbotos bez avārijām.
Neskatoties uz šīm atrunām, pat vispiesardzīgākie atzīst, ka kvantu atbalsis varētu būt svarīgs sākotnējais solis ceļā uz praktiskas lietderības demonstrēšanu. Galvenais būs tas, vai citas laboratorijas varēs atkārtot eksperimentu, uzlabot konkurējošos klasiskos algoritmus un, pats galvenais, pielāgot šīs metodes sistēmām ar lielāku kubitu un vārtu skaitu bez strauji pieaugošām kļūdām.
Raugoties plašākā mērogā, kvantu atbalsis izceļas kā skaidra zīme, ka kvantu aparatūra un programmatūra attīstās paralēli . Willow demonstrē, ka ir iespējams darboties ar pietiekami zemu kļūdu līmeni, lai nodrošinātu delikātus laika maiņas protokolus, savukārt algoritms paver durvis lietojumprogrammām, kas tieši risina reālās pasaules fizikas problēmas. Vēl ir tāls ceļš ejams, taču pirmās lietišķās kvantu skaitļošanas atbalsis sāk dzirdēt skaļi un skaidri.
