Slik fungerer Googles Quantum Echoes-algoritme

Informatec Digital » Ressurser » Slik fungerer Googles Quantum Echoes-algoritme

La Kvantedatamaskinering er ikke lenger bare teori å begynne å blande seg inn i samtaler om medisin, avanserte materialer eller nettsikkerhet. Google har i årevis prøvd å demonstrere det kvantedatamaskinene deres Dette er ikke bare iøynefallende prototyper, men verktøy med virkelige anvendelser. Med Quantum Echoes-algoritmen og Willow-brikken hevder selskapet å ha nådd en av de milepælene som kan endre tempoet i dette teknologikappløpet.

Denne nye algoritmen, en korrelator i feil rekkefølge Den er utviklet for å studere hvordan kvanteinformasjon forplanter seg i komplekse systemer, og er ikke bare utrolig rask: ifølge publiserte data opererer den omtrent 13 000 ganger raskere enn de beste klassiske superdatamaskinene for en tilsvarende oppgave. Men det mest interessante er at det er en verifiserbar algoritme, som betyr at resultatene kan gjentas og kontrolleres på andre lignende kvanteenheter – en nøkkelfaktor hvis vi ønsker at denne teknologien skal bevege seg utover laboratoriet.

Hva er egentlig kvanteekko, og hvorfor snakker alle om det?

Kvanteekko er en OTOC-type kvantealgoritme (Out-of-Time-Order Correlator). Hovedfunksjonen er å måle hvordan tilstanden til en qubit endres etter å ha utsatt et kvantesystem for en serie operasjoner og deretter "spolet tilbake" utviklingen. I praksis fungerer den som et termometer for kvantekaos: den analyserer hvordan informasjon spres innenfor et sett med qubits ved å måle mengder som magnetisering, tetthet, strømmer og hastighet.

Det Google foreslår er å bruke denne algoritmen som en slags nøye designet kvanteekkoFørst mottar Willow-brikken et komplekst kvantesignal som får systemet til å utvikle seg. Deretter introduseres en liten perturbasjon i en spesifikk qubit, og deretter utføres den motsatte operasjonssekvensen for å forsøke å angre prosessen. På slutten av hele denne prosessen returnerer systemet et kvante-"ekko" av starttilstanden, som takket være konstruktiv interferens forsterkes og avslører svært presis informasjon om hva som har skjedd underveis.

Fra et teoretisk synspunkt brukes disse typene korrelatorer i feil orden til å studere hvordan informasjon blandes og spres i ekstremt komplekse systemerslik som modeller som beskriver sorte hull eller eksotiske kvantematerialer. Det nye her er at de for første gang har blitt tatt fra teori til laboratorium med et eksperiment som kan gjentas og verifiseres, og som også peker mot svært spesifikke fysiske anvendelser.

Google har presentert disse resultatene i to utfyllende artikler: én publisert i NaturÉn artikkel fokuserer på å demonstrere algoritmen og dens verifiserbare kvantefordel, mens en annen, publisert på arXiv-arkivet, er mer orientert mot potensielle anvendelser innen kjemi og spektroskopi. Blant underskriverne av Nature-artikkelen er Michel Devoret, vinner av Nobelprisen i fysikk i 2025 og en nøkkelfigur i utviklingen av superledende qubits.

Ifølge selskapets ingeniører, Quantum Echoes fungerer 13 000 ganger raskere på Willow-brikken som er den beste ekvivalent klassisk algoritme utført på verdens kraftigste superdatamaskiner. I praksis oppnår Willow på noen få minutter det en klassisk maskin ville bruke tusenvis eller billioner av år på å løse, og krysser dermed terskelen til det som regnes som en fullverdig kvantefordel.

Grunnleggende om kvantedatamaskinering for å forstå algoritmen

For å få en klar ide om hvordan Quantum Echoes fungerer, er det verdt å huske at En kvantecomputer fungerer ikke med klassiske bits.men med qubits. Mens en bit bare kan være 0 eller 1, kan en qubit være i en superposisjon av begge tilstandene samtidig. Dette gjør at et sett med qubits samtidig kan representere et stort antall kombinasjoner av nuller og enere.

Qubits implementeres ved å manipulere fysiske systemer som fotoner, elektroner, fangede ioner, atomer eller superledende kretserGoogle investerer, i likhet med andre selskaper, i superledende qubits, direkte etterkommere av eksperimentene i makroskopiske kvantekretser initiert av Devoret og andre forskere på 1980-tallet. Disse qubitsene kan bli viklet inn i hverandre, det vil si dele en felles kvantetilstand, og danne kollektive strukturer der sannsynligheter kombineres som bølger.

I denne sammenhengen er en kvantealgoritme ikke noe mer enn en sekvens av logiske porter som brukes på en nettverk av overlappende og sammenflettede qubitsEtter hvert som kretsen utvikler seg, forsterker eller kansellerer sannsynlighetsamplitudene hverandre gjennom interferens. Trikset er å designe algoritmen slik at de riktige løsningene til slutt forsterkes og blir de mest sannsynlige når man måler systemet.

Konstruktiv interferens, en av nøklene til kvanteekkoer, oppstår når kvantebølger justerer seg i fase og de legger seg opp i stedet for å kansellere hverandre ut. Hvis kretsen er godt designet, gjør denne effekten at det endelige «ekkoet» av algoritmen skiller seg tydelig ut fra bakgrunnsstøyen og gir en svært sensitiv avlesning av hvordan informasjonen har forplantet seg i systemet, selv om mellomprosessen har vært svært kaotisk.

Alt dette høres veldig kraftig ut, men det kommer også med et alvorlig problem: kvantesystemers skjørhet i møte med støyMinimale variasjoner i temperatur, vibrasjoner, elektromagnetisk stråling eller ekstern interferens kan introdusere feil i qubits, ødelegge systemets koherens og ødelegge beregningen. Derfor er kvantefeilkontroll og dekoherensreduksjon to av bransjens største utfordringer.

Hvordan Quantum Echoes fungerer trinn for trinn på Willow-brikken

Pilen er den siste Googles superledende kvantebrikkeOg det er maskinvaren som Quantum Echoes kjører på. Denne prosessoren har allerede fått oppmerksomhet ved å fullføre benchmarktester for sampling av tilfeldige kretser på under fem minutter – oppgaver som en konvensjonell superdatamaskin ikke kunne utføre på titalls septilloner av år. Med Quantum Echoes tar Willow nok en gang plassen i sentrum.

Det grunnleggende opplegget for algoritmen kan forstås som en kvantebasert «tidsspoling»-opplevelse, selv om Ingenting sendes til fortidenProsessen innebærer å utføre en sekvens av operasjoner på systemet, introdusere en liten perturbasjon til en spesifikk qubit, og deretter utføre den samme sekvensen i revers med ekstrem presisjon. Hvis alt er riktig innstilt, går systemet tilbake til nesten sin opprinnelige tilstand og frigjør et interferometrisk ekko som inneholder en mengde informasjon.

På en svært forenklet måte følger prosedyren tre hovedfaser: først, en velkontrollert starttilstand i et sett med qubitsDeretter får denne tilstanden utvikle seg gjennom en sekvens av kvanteporter som gjør den svært kompleks og kaotisk; til slutt utføres tidsreverseringen av kretsen, en qubit endres midt i prosessen, og det observeres hvordan denne forstyrrelsen påvirker det endelige ekkoet.

Det fine med dette oppsettet er at ekkoet som måles på slutten ikke er en svak refleksjon, men et signal forsterket av konstruktiv interferensNettopp av denne grunn er teknikken ekstremt følsom for små endringer i systemets interne dynamikk. Google har utnyttet denne følsomheten til å redusere brikkens effektive feilrate eksponentielt, og oppnår resultater under terskelen der storskala feilretting blir mulig.

I noen av de beskrevne eksperimentene klarte kvantemaskinen å løse problemet på litt over to timer, mens Frontier-superdatamaskinen – en av de kraftigste i verden – ville ha trengt omtrent 3,2 år med kontinuerlig databehandling å kjøre tilsvarende klassisk kode. Dette enorme ytelsesgapet, kombinert med det faktum at resultatet kan gjentas på Willow eller andre enheter av lignende kvalitet, er grunnlaget for den såkalte «verifiserbare kvantefordelen».

Videre protokollen som brukes av Google Det forblir ikke en enkel øvelse i kvanteoverherredømme uten anvendelseI motsetning til tidligere eksperimenter, som fokuserte på kunstige matematiske problemer som er vanskelige å oversette til den virkelige verden, brukes algoritmen her til å simulere svært spesifikke fysiske prosesser: strukturen og dynamikken til virkelige molekyler, også studert med kjernemagnetisk resonans.

Verifiserbar kvantefordel: hvorfor dette gjennombruddet er annerledes

Frem til nå har mange kunngjøringer om «kvanteoverherredømme» blitt kritisert fordi Det var uklart hvordan man skulle verifisere resultatene uavhengig heller ikke hvilken praktisk nytte de løste problemene hadde. Googles milepæl i 2019 besto for eksempel av å utføre en beregning på tilfeldig kretsuttak som ingen superdatamaskin kunne gjenskape på rimelig tid, men som heller ikke hadde noen nytte utenfor laboratoriet.

Med Quantum Echoes forsøker selskapet å avgjøre den debatten med et eksperiment som fra starten av er utformet for å være verifiserbar og gjenta trikset til alle som vil ha detAlgoritmen er implementert med parametere og konfigurasjoner som andre forskningsgrupper, med sammenlignbar kvantemaskinvare, kan forsøke å replikere. Videre sammenlignes resultatene av kvantesimuleringen med klassiske fysiske målinger oppnådd ved hjelp av veletablerte teknikker.

«Kvanteverifiserbarheten» som Google hevder hviler på to søyler: for det første det faktum at beregningene kan reproduseres på andre lignende kvantemaskiner; for det andre muligheten for sammenligne algoritmens utdata med eksperimentelle data kjernemagnetisk resonansavbildning eller klassiske simuleringer i tilfeller der de fortsatt er gjennomførbare. Denne doble valideringen gir tyngde til påstanden om at vi ikke bare har å gjøre med et matematisk triks som er vanskelig å verifisere.

For at denne typen demonstrasjon skal være mulig, må maskinvaren kombineres høyhastighetsoperasjoner med ekstremt lave feilraterEthvert avvik i tidsreverseringssekvensen ødelegger det endelige ekkoet. Det faktum at Willow klarte å overvinne denne utfordringen uten å kollapse, antyder at kontrollen over superledende qubits har nådd et bemerkelsesverdig nivå, langt mer modent enn for bare noen få år siden.

Likevel oppfordrer flere eksperter til forsiktighet. Forskere som Carlos Sabín, fra Institutt for teoretisk fysikk ved det autonome universitetet i Madrid, påpeker at Andre kvantefordeler har allerede blitt annonsert, som senere har blitt kvalifisert. Mens andre grupper har forbedret klassiske algoritmer eller funnet måter å tilnærme resultatene ved hjelp av konvensjonelle datamaskiner, er det vitenskapelige samfunnet nå i ferd med å bekrefte i hvilken grad Googles eksperiment markerer en fast grense.

Anvendelse i kjemi: molekyler, NMR og drømmen om «kvanteskopet»

Et av de mest slående aspektene ved Quantum Echoes er bruken av det som et verktøy for kjemisk simulering og kvantespektroskopiI samarbeid med University of California i Berkeley har Google kjørt algoritmen på Willow for å studere to molekyler: ett med 15 atomer og et annet med 28, ved hjelp av eksperimentelle kjernemagnetisk resonans (NMR)-data som sammenligningspunkt.

MR, den spektroskopiske fetteren til medisinsk magnetisk resonansavbildning, fungerer som en molekylært mikroskop basert på magnetiske «spinn» av atomkjerner. Ved å oppdage hvordan disse spinnene reagerer på magnetfelt og radiofrekvenssignaler, kan forskere utlede den relative posisjonen til atomer og dermed molekylets struktur. Det er et grunnleggende verktøy innen kjemi, biologi og materialvitenskap.

Problemet er at når molekylene blir store eller interaksjonene mellom spinnene blir mer komplekse, Klassiske metoder for å tolke NMR-data blir ekstremt dyre Fra et beregningsmessig synspunkt. Det er her kvanteekko kommer inn i bildet: dens evne til å spore den interne kvantedynamikken i et kaotisk system lar den modellere interaksjoner mellom spinn over lange avstander mer effektivt.

I konseptbeviset utført med Berkeley, ble resultatene oppnådd med kvantealgoritmen De sammenfalt med de tradisjonelle MR-målingene. for begge molekylene, noe som representerte den første sterke valideringen av tilnærmingen. Men i tillegg avslørte kvanteanalysen ytterligere detaljer om spinndynamikken som normalt ikke kan oppnås med klassiske teknikker, noe som peker mot større følsomhet.

Forskere som Ashok Ajoy, en samarbeidspartner med Google Quantum AI og professor ved Berkeley, snakker allerede om en fremtid «Kvantespektroskopi» som er i stand til å gå utover dagens grenserI dette scenariet kan kombinasjonen av eksperimentell NMR med kvantealgoritmer som Quantum Echoes bli et førsteklasses verktøy for å oppdage nye medisiner, bedre forstå komplekse sykdommer som Alzheimers, eller designe avanserte materialer for batterier, polymerer eller til og med superledende qubits.

Potensiell innvirkning på medisin, materialvitenskap og andre industrier

Hvis Googles løfter blir til virkelighet, kan Quantum Echoes være det første seriøse skrittet mot kvantedatamaskiner med konkrete applikasjoner i den virkelige verdenEvnen til å nøyaktig modellere kvantesystemer med mange legemer har direkte implikasjoner innen felt som beregningskjemi, hvor simulering av komplekse elektroniske interaksjoner er et nesten uoverkommelig problem for klassisk databehandling.

Innen det biomedisinske feltet betyr dette muligheten for å utforske rommet til legemiddelkandidatmolekyler mye mer effektivtI stedet for å blindt teste tusenvis av forbindelser, kan en kvantedatamaskin bidra til å forutsi hvilke strukturer som passer best til et spesifikt biologisk mål, og dermed akselerere utviklingen av behandlinger for nevrodegenerative sykdommer, kreft eller andre komplekse sykdommer.

Innen materialvitenskap gjelder den samme logikken for designe nye forbindelser med spesifikke egenskaperMer stabile superledere, batterimaterialer med høyere energitetthet, avanserte polymerer eller lettere og sterkere legeringer. Kontroll over kvantedynamikk på mikroskopisk nivå utgjør forskjellen mellom å teste tilfeldige kombinasjoner og finjustere resultatene med en pålitelig simulering.

I tillegg til alt dette kommer den potensielle innvirkningen på områder som nettsikkerhet. Selv om Quantum Echoes i seg selv ikke er rettet mot å bryte kryptering, er det en del av den samme bølgen av fremskritt som bringer kvantemaskiner nærmere å være nyttigeSikkerhetsmiljøet snakker allerede om strategien «høst nå, dekrypter senere»: å stjele data i dag for å dekryptere dem når det finnes kvantedatamaskiner som er i stand til å knekke nåværende kryptografiske algoritmer, noe som har ført til at organisasjoner som EU og ENISA har planlagt overgangen til postkvantesystemer.

På et geopolitisk nivå passer Googles trekk inn i en Hard konkurranse med giganter som IBM, Microsoft og flere kinesiske aktørerPlattformer som Wukong i Kina, eller IBMs utvikling innen superledende qubits og langlivede logiske qubits, viser at ingen ønsker å bli hengende etter. Den verifiserbare kvantefordelen som Google hevder er, i tillegg til et vitenskapelig fremskritt, et strategisk budskap om deres posisjon i dette kappløpet.

Nåværende begrensninger og skepsis i det vitenskapelige samfunnet

Det er ikke bare fyrverkeri. Selv om Quantum Echoes-eksperimentet representerer et sprang fremover fra tidligere milepæler, understreker flere eksperter at Vi er fortsatt tydeligvis i en eksperimentell fase.Foreløpig har demonstrasjonene blitt utført med relativt små molekyler og med kvantekretser som, selv om de er imponerende, fortsatt er langt fra det som ville være nødvendig for å løse storskala industrielle problemer.

Ifølge estimater samlet inn av Google selv, for å nå molekyler som krever i størrelsesorden 50 fysiske qubits med relevant kompleksitetDette ville kreve å kjøre mellom hundretusenvis og flere millioner kvantelogiske porter. Dette tallet er langt over de 792 portene som brukes i nåværende eksperimenter, og feilreduserende teknikker som fungerer i dette regimet skalerer kanskje ikke godt til mye dypere kretser.

En av de tilbakevendende kritikkene er at selv om demonstrasjonen viser en reell kvantefordel, En praktisk bruk med stor effekt er ennå ikke bevistMed andre ord har algoritmen tjent til å validere metoder og studere systemer som kan håndteres med forbedrede klassiske teknikker, men den har ennå ikke løst et problem som var helt uoppnåelig for klassisk databehandling i en spesifikk industriell eller medisinsk kontekst.

Videre er spørsmålet om feilretting fortsatt et hinder. Drift av storskala kvantedatamaskiner krever Robuste logiske qubits bygget fra mange fysiske qubitsslik at individuelle feil kan oppdages og korrigeres uten å miste informasjon. Google har identifisert dette målet som milepæl 3 i sin kvanteplan: å oppnå en langlivet logisk qubit som kan tåle kravene ved å kjøre komplekse algoritmer uten å krasje.

Til tross for disse forbeholdene, erkjenner selv de mest forsiktige stemmene at Kvanteekkoer kan være et viktig innledende skritt i retning av å demonstrere praktisk nytteverdi. Nøkkelen vil være å se om andre laboratorier kan reprodusere eksperimentet, forbedre konkurrerende klassiske algoritmer, og fremfor alt skalere disse teknikkene til systemer med flere qubits og flere porter uten at feilene skyter i været.

Når man ser på det store bildet, ser Quantum Echoes ut til å bli en et tydelig tegn på at kvantemaskinvare og -programvare utvikler seg paralleltWillow demonstrerer at det er mulig å operere med feilrater lave nok til å tillate delikate tidsreverseringsprotokoller, mens algoritmen åpner døren for applikasjoner som direkte adresserer fysiske problemer i den virkelige verden. Det er fortsatt en lang vei å gå, men de første ekkoene av anvendt kvantedatabehandling begynner å bli hørt høyt.

Relatert artikkel:

Google AI Overviews kommer til Spania: hva det er og hvordan det endrer søk