Hoe het Quantum Echoes-algoritme van Google werkt

Informatic Digital » Middelen » Hoe het Quantum Echoes-algoritme van Google werkt

La quantum computing is niet langer alleen maar theorie om zich te mengen in gesprekken over geneeskunde, geavanceerde materialen of cyberbeveiliging. Google probeert al jaren aan te tonen dat hun quantumcomputers Dit zijn niet zomaar opvallende prototypes, maar tools met praktische toepassingen. Met het Quantum Echoes-algoritme en de Willow-chip beweert het bedrijf een van die mijlpalen te hebben bereikt die het tempo van deze technologische race zouden kunnen veranderen.

Dit nieuwe algoritme, een niet-geordende correlator Ontworpen om te bestuderen hoe kwantuminformatie zich voortplant in complexe systemen, is het niet alleen ongelooflijk snel: volgens gepubliceerde gegevens werkt het ongeveer 13.000 keer sneller dan de beste klassieke supercomputers voor een vergelijkbare taak. Maar het meest interessante is dat het een verifieerbaar algoritme is, wat betekent dat de resultaten kunnen worden herhaald en gecontroleerd op andere vergelijkbare kwantumapparaten – een cruciale factor als we willen dat deze technologie verder gaat dan alleen het laboratorium.

Wat is Quantum Echoes precies en waarom heeft iedereen het erover?

Quantum Echoes is een OTOC-type kwantumalgoritme (Out-of-Time-Order Correlator). De belangrijkste functie is om te meten hoe de toestand van een qubit verandert nadat een kwantumsysteem een ​​reeks bewerkingen heeft ondergaan en vervolgens de evolutie ervan is "teruggedraaid". In de praktijk fungeert het als een thermometer voor kwantumchaos: het analyseert hoe informatie verspreid is binnen een set qubits door grootheden zoals magnetisatie, dichtheid, stroomsterkte en snelheid te meten.

Wat Google voorstelt is om dit algoritme te gebruiken als een soort zorgvuldig ontworpen kwantum echoEerst ontvangt de Willow-chip een complex kwantumsignaal dat het systeem laat evolueren. Vervolgens wordt een kleine verstoring in een specifieke qubit geïntroduceerd, waarna de omgekeerde reeks bewerkingen wordt uitgevoerd om het proces ongedaan te maken. Aan het einde van dit hele proces retourneert het systeem een ​​kwantum-echo van de begintoestand, die dankzij constructieve interferentie wordt versterkt en zeer precieze informatie onthult over wat er onderweg is gebeurd.

Vanuit een theoretisch oogpunt worden dit soort niet-geordende correlatiemiddelen gebruikt om hoe informatie zich vermengt en verspreidt in uiterst complexe systemenZoals modellen die zwarte gaten of exotische kwantummaterialen beschrijven. Nieuw hierbij is dat ze voor het eerst vanuit de theorie naar het laboratorium zijn gebracht met een experiment dat kan worden herhaald en geverifieerd, en dat ook wijst op zeer specifieke fysische toepassingen.

Google heeft deze resultaten in twee complementaire artikelen gepresenteerd: één gepubliceerd in NATUUREén artikel richt zich op het demonstreren van het algoritme en het verifieerbare kwantumvoordeel ervan, terwijl een ander artikel, gepubliceerd in de arXiv-repository, meer gericht is op mogelijke toepassingen in de chemie en spectroscopie. Een van de ondertekenaars van het Nature-artikel is Michel Devoret, winnaar van de Nobelprijs voor Natuurkunde in 2025 en een sleutelfiguur in de ontwikkeling van supergeleidende qubits.

Volgens de ingenieurs van het bedrijf, Quantum Echoes werkt 13.000 keer sneller op de Wilgenchip die het beste is equivalent klassiek algoritme Uitgevoerd op 's werelds krachtigste supercomputers. In de praktijk: wat een klassieke machine duizenden of biljoenen jaren zou kosten om op te lossen, voltooit Willow in een paar minuten, waarmee hij de grens overschrijdt van wat wordt beschouwd als een volwaardig kwantumvoordeel.

Basisprincipes van quantum computing om het algoritme te begrijpen

Om een ​​duidelijk idee te krijgen van hoe Quantum Echoes werkt, is het de moeite waard om te onthouden dat Een quantumcomputer werkt niet met klassieke bits.maar met qubits. Terwijl een bit alleen 0 of 1 kan zijn, kan een qubit zich in een superpositie van beide toestanden tegelijk bevinden. Hierdoor kan een set qubits tegelijkertijd een enorm aantal combinaties van nullen en enen representeren.

Qubits worden geïmplementeerd door het manipuleren van fysieke systemen zoals fotonen, elektronen, gevangen ionen, atomen of supergeleidende circuitsGoogle investeert, net als andere bedrijven, in supergeleidende qubits, directe afstammelingen van de experimenten met macroscopische kwantumcircuits die Devoret en andere onderzoekers in de jaren 80 zijn gestart. Deze qubits kunnen verstrengeld raken, dat wil zeggen een gemeenschappelijke kwantumtoestand delen, en collectieve structuren vormen waarin waarschijnlijkheden zich als golven combineren.

In deze context is een kwantumalgoritme niets meer dan een reeks logische poorten die worden toegepast op een netwerk van overlappende en met elkaar verweven qubitsNaarmate het circuit evolueert, versterken of neutraliseren de waarschijnlijkheidsamplitudes elkaar door interferentie. De truc is om het algoritme zo te ontwerpen dat uiteindelijk de juiste oplossingen worden versterkt en de meest waarschijnlijke worden bij het meten van het systeem.

Constructieve interferentie, een van de sleutels tot kwantum-echo's, treedt op wanneer kwantumgolven richten zich in fase en ze tellen op in plaats van elkaar te neutraliseren. Als het circuit goed is ontworpen, zorgt dit effect ervoor dat de uiteindelijke "echo" van het algoritme duidelijk afsteekt tegen de achtergrondruis en maakt het een zeer gevoelige meting mogelijk van hoe de informatie zich in het systeem heeft verspreid, zelfs als het tussenliggende proces zeer chaotisch is verlopen.

Dit klinkt allemaal heel krachtig, maar het brengt ook een ernstig probleem met zich mee: de kwetsbaarheid van kwantumsystemen in het licht van ruisMinimale temperatuurschommelingen, trillingen, elektromagnetische straling of externe interferentie kunnen fouten in qubits veroorzaken, de coherentie van het systeem verstoren en de berekening verstoren. Quantumfoutbeheersing en decoherentiereductie zijn daarom twee van de grootste uitdagingen voor de industrie.

Hoe Quantum Echoes stap voor stap werkt op de Willow-chip

Wilg is de laatste De supergeleidende quantumchip van GoogleEn het is de hardware waarop Quantum Echoes draait. Deze processor trok al de aandacht door benchmarktests voor het bemonsteren van willekeurige circuits in minder dan vijf minuten uit te voeren – taken die een conventionele supercomputer in tientallen septiljoenen jaren niet zou kunnen volbrengen. Met Quantum Echoes staat Willow opnieuw centraal.

Het basisschema van het algoritme kan worden begrepen als een kwantum-‘tijd-terugdraai’-ervaring, hoewel Niets wordt naar het verleden gestuurdHet proces omvat het toepassen van een reeks bewerkingen op het systeem, het introduceren van een kleine verstoring in een specifieke qubit en vervolgens het uitvoeren van dezelfde reeks in omgekeerde volgorde met extreme precisie. Als alles goed is afgesteld, keert het systeem terug naar bijna zijn oorspronkelijke toestand en genereert het een interferometrische echo met een schat aan informatie.

Op een zeer vereenvoudigde manier volgt de procedure drie hoofdstadia: eerst een goed gecontroleerde begintoestand in een set qubitsVervolgens mag die toestand evolueren door een reeks kwantumpoorten die hem uiterst complex en chaotisch maken; ten slotte wordt de tijdomkering van het circuit uitgevoerd, wordt halverwege het proces een qubit gewijzigd en wordt bekeken hoe die verstoring de uiteindelijke echo beïnvloedt.

Het mooie van deze opstelling is dat de echo die aan het eind wordt gemeten geen zwakke reflectie is, maar een signaal dat wordt versterkt door constructieve interferentieJuist daarom is de techniek extreem gevoelig voor kleine veranderingen in de interne dynamiek van het systeem. Google heeft deze gevoeligheid benut om de effectieve foutmarge van de chip exponentieel te verlagen, waardoor resultaten worden behaald die onder de drempel liggen waarbij grootschalige foutcorrectie haalbaar wordt.

In sommige van de beschreven experimenten kon de quantummachine het probleem in iets meer dan twee uur oplossen, terwijl de Frontier-supercomputer, een van de krachtigste ter wereld, ongeveer 3,2 jaar continu computergebruik om equivalente klassieke code uit te voeren. Deze enorme prestatiekloof, gecombineerd met het feit dat het resultaat kan worden herhaald op Willow of andere apparaten van vergelijkbare kwaliteit, vormt de basis voor het zogenaamde "verifieerbare kwantumvoordeel".

Bovendien is het protocol dat Google gebruikt Het blijft geen simpele oefening in kwantumsuperioriteit zonder toepassingIn tegenstelling tot eerdere experimenten, die zich richtten op kunstmatige wiskundige problemen die moeilijk te vertalen zijn naar de echte wereld, wordt het algoritme hier gebruikt om heel specifieke natuurkundige processen te simuleren: de structuur en de dynamiek van echte moleculen worden ook bestudeerd met behulp van kernmagnetische resonantie.

Verifieerbaar kwantumvoordeel: waarom deze doorbraak anders is

Tot nu toe kregen veel aankondigingen van ‘kwantumsuprematie’ kritiek omdat Het was onduidelijk hoe de resultaten onafhankelijk geverifieerd konden worden noch welk praktisch nut de opgeloste problemen hadden. De mijlpaal van Google in 2019 bestond bijvoorbeeld uit het uitvoeren van een berekening op willekeurige circuitsteekproeven die geen enkele supercomputer binnen een redelijke tijd kon repliceren, maar die ook buiten het laboratorium geen nut had.

Met Quantum Echoes probeert het bedrijf dat debat te beslechten met een experiment dat vanaf het begin is ontworpen om verifieerbaar en herhaal de truc voor iedereen die het wilHet algoritme is geïmplementeerd met parameters en configuraties die andere onderzoeksgroepen met vergelijkbare quantumhardware kunnen proberen te repliceren. Bovendien worden de resultaten van de quantumsimulatie vergeleken met klassieke fysische metingen die zijn verkregen met behulp van beproefde technieken.

De door Google geclaimde ‘kwantumverifieerbaarheid’ berust op twee pijlers: ten eerste het feit dat de berekeningen op andere soortgelijke kwantummachines kunnen worden gereproduceerd; ten tweede de mogelijkheid van vergelijk de output van het algoritme met experimentele data kernspinresonantiebeeldvorming (MRI) of klassieke simulaties in gevallen waarin deze nog haalbaar zijn. Deze dubbele validatie onderbouwt de bewering dat we niet simpelweg te maken hebben met een wiskundige truc die moeilijk te verifiëren is.

Om dit soort demonstraties mogelijk te maken, moet de hardware gecombineerd worden snelle bewerkingen met extreem lage foutpercentagesElke afwijking in de tijdomkering verstoort de uiteindelijke echo. Het feit dat Willow deze uitdaging heeft overwonnen zonder in te storten, impliceert dat de controle over supergeleidende qubits een opmerkelijk niveau heeft bereikt, veel volwassener dan een paar jaar geleden.

Toch dringen verschillende experts aan op voorzichtigheid. Onderzoekers zoals Carlos Sabín van de afdeling Theoretische Fysica van de Autonome Universiteit van Madrid wijzen erop dat Er zijn al andere kwantumvoordelen aangekondigd, maar deze zijn later wel toegelicht. Terwijl andere groepen klassieke algoritmes hebben verfijnd of manieren hebben gevonden om de resultaten te benaderen met behulp van conventionele computers, is de wetenschappelijke gemeenschap nu bezig om te verifiëren in hoeverre Google's experiment een duidelijke grens markeert.

Toepassing in de chemie: moleculen, NMR en de droom van de ‘quantoscoop’

Een van de meest opvallende aspecten van Quantum Echoes is het gebruik ervan als hulpmiddel voor chemische simulatie en kwantumspectroscopieIn samenwerking met de Universiteit van Californië in Berkeley heeft Google het algoritme op Willow toegepast om twee moleculen te bestuderen: een met 15 atomen en een andere met 28. Hierbij werden experimentele kernmagnetische resonantie (NMR)-gegevens als vergelijkingsmateriaal gebruikt.

MRI, de spectroscopische neef van medische magnetische resonantiebeeldvorming, fungeert als een moleculaire microscoop gebaseerd op magnetische “spins” van atoomkernen. Door te detecteren hoe deze spins reageren op magnetische velden en radiofrequentiesignalen, kunnen wetenschappers de relatieve positie van atomen en daarmee de structuur van het molecuul afleiden. Het is een fundamenteel instrument in de scheikunde, biologie en materiaalkunde.

Het probleem is dat wanneer moleculen groter worden of de interacties tussen spins complexer worden, de Klassieke methoden voor het interpreteren van NMR-gegevens worden extreem duur Vanuit computationeel oogpunt is dat waar Quantum Echoes om de hoek komt kijken: het vermogen om de interne kwantumdynamiek van een chaotisch systeem te volgen, stelt het in staat om interacties tussen spins over grote afstanden efficiënter te modelleren.

In het proof of concept dat met Berkeley werd uitgevoerd, werden de resultaten verkregen met het kwantumalgoritme Ze vielen samen met de traditionele MRI-metingen. voor beide moleculen, wat de eerste sterke validatie van de aanpak betekende. Bovendien onthulde de kwantumanalyse meer details over de spindynamiek die normaal gesproken niet met klassieke technieken kunnen worden verkregen, wat wijst op een grotere gevoeligheid.

Onderzoekers als Ashok Ajoy, een medewerker van Google Quantum AI en professor aan Berkeley, praten al over een toekomst ‘Kwantumspectroscopie’ kan de huidige grenzen overschrijdenIn dit scenario zou de combinatie van experimentele NMR met kwantumalgoritmes zoals Quantum Echoes een uiterst nuttig hulpmiddel kunnen worden voor het ontdekken van nieuwe medicijnen, het beter begrijpen van complexe ziektes zoals Alzheimer of het ontwerpen van geavanceerde materialen voor batterijen, polymeren of zelfs supergeleidende qubits zelf.

Mogelijke impact op de geneeskunde, materiaalkunde en andere industrieën

Als de beloften van Google werkelijkheid worden, zouden Quantum Echoes de eerste serieuze stap in de richting van quantumcomputers met tastbare toepassingen in de echte wereldHet vermogen om kwantumsystemen met meerdere lichamen nauwkeurig te modelleren heeft directe gevolgen voor vakgebieden zoals computationele chemie, waar het simuleren van complexe elektronische interacties een bijna onmogelijke opgave is voor klassieke computers.

Op het biomedische vlak vertaalt zich dit in de mogelijkheid van om de ruimte van kandidaat-medicijnen veel efficiënter te verkennenIn plaats van het blindelings testen van duizenden verbindingen, zou een quantumcomputer kunnen helpen voorspellen welke structuren het beste passen bij een specifiek biologisch doelwit. Daarmee zou de ontwikkeling van behandelingen voor neurodegeneratieve ziekten, kanker en andere complexe aandoeningen kunnen worden versneld.

In de materiaalkunde geldt dezelfde logica voor nieuwe verbindingen ontwerpen met specifieke eigenschappenStabielere supergeleiders, batterijmaterialen met een hogere energiedichtheid, geavanceerde polymeren of lichtere en sterkere legeringen. Controle over de kwantumdynamica op microscopisch niveau maakt het verschil tussen het testen van willekeurige combinaties en het verfijnen van de resultaten met een betrouwbare simulatie.

Daarbij komt nog de potentiële impact op gebieden zoals cybersecurity. Hoewel Quantum Echoes zelf niet gericht is op het kraken van encryptie, maakt het wel deel uit van de dezelfde golf van vooruitgang die kwantummachines dichter bij bruikbaarheid brengtBinnen de beveiligingsgemeenschap wordt al gesproken over de strategie 'nu oogsten, later ontsleutelen': het stelen van gegevens om deze vervolgens te ontsleutelen, nu er quantumcomputers bestaan ​​die de huidige cryptografische algoritmen kunnen kraken. Dit heeft organisaties als de Europese Unie en ENISA ertoe aangezet om de overgang naar post-quantumsystemen te plannen.

Op geopolitiek niveau past de zet van Google in een Hevige concurrentie met giganten als IBM, Microsoft en verschillende Chinese spelersPlatformen zoals Wukong in China, of IBM's ontwikkelingen op het gebied van supergeleidende qubits en langlevende logische qubits, laten zien dat niemand achter wil blijven. Het aantoonbare kwantumvoordeel dat Google claimt, is naast een wetenschappelijke vooruitgang ook een strategische boodschap over zijn positie in deze race.

Huidige beperkingen en scepsis binnen de wetenschappelijke gemeenschap

Het is niet allemaal vuurwerk. Hoewel het Quantum Echoes-experiment een sprong voorwaarts is ten opzichte van eerdere mijlpalen, benadrukken verschillende experts dat Wij bevinden ons duidelijk nog in een experimentele fase.Tot nu toe zijn de demonstraties uitgevoerd met relatief kleine moleculen en met kwantumcircuits. Deze zijn weliswaar indrukwekkend, maar nog ver verwijderd van wat nodig is om grootschalige industriële problemen aan te pakken.

Volgens schattingen die Google zelf heeft verzameld, zijn er moleculen nodig om ze te bereiken, die ongeveer 50 fysieke qubits met relevante complexiteitHiervoor zouden honderdduizenden tot enkele miljoenen kwantumlogicapoorten nodig zijn. Dat aantal ligt ver boven de 792 poorten die in huidige experimenten worden gebruikt, en foutbeperkende technieken die in dit regime werken, zijn mogelijk niet goed schaalbaar naar veel diepere circuits.

Een van de steeds terugkerende kritiekpunten is dat, hoewel de demonstratie een echt kwantumvoordeel laat zien, Een praktisch nut met grote impact is nog niet bewezenMet andere woorden: het algoritme heeft gediend om methoden te valideren en systemen te bestuderen die met verbeterde klassieke technieken kunnen worden bediend. Maar het heeft nog geen oplossing geboden voor een probleem dat volstrekt onbereikbaar was voor klassieke informatica in een specifieke industriële of medische context.

Bovendien blijft de kwestie van foutcorrectie een obstakel. Het bedienen van grootschalige quantumcomputers vereist Robuuste logische qubits opgebouwd uit vele fysieke qubitsZodat individuele fouten kunnen worden gedetecteerd en gecorrigeerd zonder informatieverlies. Google heeft dit doel aangemerkt als mijlpaal 3 van zijn quantum-roadmap: het bereiken van een langlevende logische qubit die bestand is tegen de eisen van het uitvoeren van complexe algoritmen zonder te crashen.

Ondanks deze bedenkingen erkennen zelfs de meest voorzichtige stemmen dat Quantum Echoes kunnen een belangrijke eerste stap zijn in de richting van het aantonen van praktische bruikbaarheid. De sleutel zal zijn om te zien of andere laboratoria het experiment kunnen reproduceren, concurrerende klassieke algoritmen kunnen verbeteren en, bovenal, deze technieken kunnen opschalen naar systemen met meer qubits en meer poorten zonder dat de fouten de pan uit rijzen.

Als we het grotere geheel bekijken, ontwikkelt Quantum Echoes zich tot een een duidelijk teken dat kwantumhardware en -software parallel evoluerenWillow laat zien dat het mogelijk is om te werken met foutenpercentages die laag genoeg zijn om delicate tijdomkeerprotocollen mogelijk te maken, terwijl het algoritme de deur opent naar toepassingen die direct inspelen op echte natuurkundige problemen. Er is nog een lange weg te gaan, maar de eerste echo's van toegepaste quantum computing beginnen luid te klinken.

Gerelateerd artikel:

Google AI Overviews arriveert in Spanje: wat het is en hoe het zoeken verandert