Cum funcționează algoritmul Quantum Echoes de la Google

Informatec Digital » Recursos » Cum funcționează algoritmul Quantum Echoes de la Google

La Calculul cuantic nu mai este doar teorie să înceapă să se implice în conversații despre medicină, materiale avansate sau securitate cibernetică. Google încearcă de ani de zile să demonstreze că computerele lor cuantice Acestea nu sunt doar prototipuri atrăgătoare, ci instrumente cu aplicații în lumea reală. Cu algoritmul Quantum Echoes și cipul său Willow, compania susține că a atins una dintre acele etape importante care ar putea schimba ritmul acestei curse tehnologice.

Acest nou algoritm, un corelator în afara ordinii Conceput pentru a studia modul în care informația cuantică se propagă în sisteme complexe, acesta nu este doar incredibil de rapid: conform datelor publicate, funcționează de aproximativ 13.000 de ori mai rapid decât cele mai bune supercomputere clasice pentru o sarcină echivalentă. Dar cel mai interesant este faptul că este un algoritm verificabil, ceea ce înseamnă că rezultatele sale pot fi repetate și verificate pe alte dispozitive cuantice similare - un factor cheie dacă vrem ca această tehnologie să depășească limitele laboratorului.

Ce este mai exact Ecourile Cuantice și de ce vorbește toată lumea despre ele?

Ecourile cuantice sunt o Algoritmul cuantic de tip OTOC (Corelator în afara ordinii temporale). Funcția sa principală este de a măsura modul în care se schimbă starea unui qubit după supunerea unui sistem cuantic unei serii de operații și apoi „reluarea” evoluției sale. În practică, acționează ca un termometru al haosului cuantic: analizează modul în care informațiile sunt dispersate într-un set de qubiți prin măsurarea unor cantități precum magnetizarea, densitatea, curenții și viteza.

Ceea ce propune Google este să folosească acest algoritm ca un fel de ecou cuantic proiectat cu atențieMai întâi, cipul Willow primește un semnal cuantic complex care determină evoluția sistemului. Apoi, o mică perturbație este introdusă într-un anumit qubit și, ulterior, se execută secvența inversă de operații pentru a încerca să anuleze procesul. La sfârșitul întregului proces, sistemul returnează un „ecou” cuantic al stării inițiale, care, datorită interferenței constructive, este amplificat și dezvăluie informații extrem de precise despre ceea ce s-a întâmplat pe parcurs.

Din punct de vedere teoretic, aceste tipuri de corelatori neordonați sunt utilizați pentru a studia cum se amestecă și se răspândește informația în sisteme extrem de complexecum ar fi modelele care descriu găuri negre sau materiale cuantice exotice. Noutatea este că, pentru prima dată, acestea au fost transferate din teorie în laborator printr-un experiment care poate fi repetat și verificat și care indică, de asemenea, aplicații fizice foarte specifice.

Google a prezentat aceste rezultate în două lucrări complementare: una publicată în NaturăO lucrare se concentrează pe demonstrarea algoritmului și a avantajului său cuantic verificabil, în timp ce o alta, publicată pe depozitul arXiv, este mai orientată spre potențiale aplicații în chimie și spectroscopie. Printre semnatarii articolului din Nature se numără Michel Devoret, câștigător al Premiului Nobel pentru Fizică în 2025 și o figură cheie în dezvoltarea qubiților supraconductori.

Potrivit inginerilor companiei, Ecourile cuantice funcționează de 13.000 de ori mai rapid pe cipul Willow care este cel mai bun algoritm clasic echivalent executat pe cele mai puternice supercomputere din lume. În termeni practici, ceea ce o mașină clasică ar rezolva în mii sau trilioane de ani, Willow realizează în câteva minute, depășind pragul a ceea ce este considerat un avantaj cuantic deplin.

Fundamentele calculului cuantic pentru înțelegerea algoritmului

Pentru a avea o idee clară despre cum funcționează Ecourile Cuantice, merită să ne amintim că Un computer cuantic nu funcționează cu biți clasici.dar cu qubiți. În timp ce un bit poate fi doar 0 sau 1, un qubit poate fi într-o suprapunere a ambelor stări în același timp. Acest lucru permite unui set de qubiți să reprezinte simultan un număr imens de combinații de zerouri și unuuri.

Qubiții sunt implementați prin manipularea sistemelor fizice, cum ar fi fotoni, electroni, ioni prinși, atomi sau circuite supraconductoareGoogle, la fel ca alte companii, investește în qubiți supraconductori, descendenți direcți ai experimentelor în circuite cuantice macroscopice inițiate de Devoret și alți cercetători în anii 1980. Acești qubiți se pot încurca, adică pot împărtăși o stare cuantică comună și pot forma structuri colective în care probabilitățile se combină precum undele.

În acest context, un algoritm cuantic nu este nimic mai mult decât un secvența porților logice care sunt aplicate unui rețea de qubiți suprapuși și interconectațiPe măsură ce circuitul evoluează, amplitudinile probabilității se consolidează sau se anulează reciproc prin interferență. Secretul constă în proiectarea algoritmului astfel încât, în final, soluțiile corecte să fie amplificate și să devină cele mai probabile la măsurarea sistemului.

Interferența constructivă, una dintre cheile ecourilor cuantice, apare atunci când undele cuantice se aliniază în fază și se adună în loc să se anuleze reciproc. Dacă circuitul este bine proiectat, acest efect face ca „ecoul” final al algoritmului să iasă clar în evidență față de zgomotul de fundal și permite o citire foarte sensibilă a modului în care informația s-a propagat în sistem, chiar dacă procesul intermediar a fost foarte haotic.

Toate acestea sună foarte puternic, dar vin și cu o problemă serioasă: Fragilitatea sistemelor cuantice în fața zgomotuluiVariații minime de temperatură, vibrații, radiații electromagnetice sau interferențe externe pot introduce erori în qubiți, pot distruge coerența sistemului și pot ruina calculul. Prin urmare, controlul erorilor cuantice și reducerea decoerenței sunt două dintre principalele provocări ale industriei.

Cum funcționează Quantum Echoes pas cu pas pe cipul Willow

Willow este ultima Cipul cuantic supraconductor de la GoogleȘi este componenta hardware pe care rulează Quantum Echoes. Acest procesor a atras deja atenția prin finalizarea testelor de eșantionare a circuitelor aleatorii în mai puțin de cinci minute - sarcini pe care un supercomputer convențional nu le-ar putea îndeplini în zeci de septilioane de ani. Cu Quantum Echoes, Willow ocupă din nou un loc central.

Schema de bază a algoritmului poate fi înțeleasă ca o experiență cuantică de „revenire a timpului”, deși Nimic nu este trimis în trecutProcesul implică aplicarea unei secvențe de operații asupra sistemului, introducerea unei mici perturbații la un anumit qubit și apoi executarea aceleiași secvențe în sens invers cu o precizie extremă. Dacă totul este reglat corect, sistemul revine aproape de starea inițială și emite un ecou interferometric care conține o multitudine de informații.

Într-un mod foarte simplificat, procedura urmează trei faze principale: în primul rând, o stare inițială bine controlată într-un set de qubițiApoi, acea stare este lăsată să evolueze printr-o secvență de porți cuantice care o fac extrem de complexă și haotică; în final, se execută inversarea temporală a circuitului, un qubit este modificat în mijlocul procesului și se observă cum acea perturbație afectează ecoul final.

Frumusețea acestei configurații constă în faptul că ecoul măsurat la final nu este o reflexie slabă, ci un semnal amplificat de interferență constructivăTocmai din acest motiv, tehnica este extrem de sensibilă la mici schimbări în dinamica internă a sistemului. Google a valorificat această sensibilitate pentru a reduce exponențial rata de eroare efectivă a cipului, obținând rezultate sub pragul la care corecția erorilor la scară largă devine viabilă.

În unele dintre experimentele descrise, mașina cuantică a reușit să rezolve problema în puțin peste două ore, în timp ce supercomputerul Frontier - unul dintre cele mai puternice din lume - ar fi avut nevoie de... aproximativ 3,2 ani de calcul continuu să execute cod clasic echivalent. Această diferență uriașă de performanță, coroborată cu faptul că rezultatul poate fi repetat pe Willow sau pe alte dispozitive de calitate similară, stă la baza așa-numitului „avantaj cuantic verificabil”.

În plus, protocolul utilizat de Google Nu rămâne un simplu exercițiu de supremație cuantică fără aplicare.Spre deosebire de experimentele anterioare, care s-au concentrat pe probleme matematice artificiale dificil de transpus în lumea reală, aici algoritmul este utilizat pentru a simula procese fizice foarte specifice: structura și dinamica moleculelor reale studiate, de asemenea, cu rezonanță magnetică nucleară.

Avantaj cuantic verificabil: de ce această descoperire este diferită

Până acum, multe anunțuri privind „supremația cuantică” au fost criticate deoarece Nu era clar cum să se verifice independent rezultatele nici ce utilizare practică au avut problemele rezolvate. De exemplu, piatra de hotar a Google din 2019 a constat în efectuarea unui calcul pe eșantionarea aleatorie a circuitelor pe care niciun supercomputer nu l-ar putea reproduce într-un timp rezonabil, dar care nici nu a avut nicio utilitate în afara laboratorului.

Cu Quantum Echoes, compania încearcă să rezolve această dezbatere cu un experiment conceput de la bun început pentru a fi verificabil și repetă trucul oricui îl doreșteAlgoritmul a fost implementat cu parametri și configurații pe care alte grupuri de cercetare, cu hardware cuantic comparabil, pot încerca să le reproducă. În plus, rezultatele simulării cuantice sunt comparate cu măsurători fizice clasice obținute folosind tehnici consacrate.

„Verificabilitatea cuantică” susținută de Google se bazează pe doi piloni: în primul rând, faptul că calculele pot fi reproduse pe alte mașini cuantice similare; în al doilea rând, posibilitatea ca comparați rezultatul algoritmului cu datele experimentale imagistica prin rezonanță magnetică nucleară sau simulări clasice în cazurile în care acestea sunt încă fezabile. Această dublă validare dă greutate afirmației că nu avem de-a face pur și simplu cu un truc matematic dificil de verificat.

Pentru ca acest tip de demonstrație să fie posibil, hardware-ul trebuie să combine operațiuni de mare viteză cu rate de eroare extrem de scăzuteOrice abatere în secvența de inversare a timpului strică ecoul final. Faptul că Willow a reușit să depășească această provocare fără a se prăbuși implică faptul că controlul asupra qubitilor supraconductori a atins un nivel remarcabil, mult mai matur decât acum doar câțiva ani.

Chiar și așa, mai mulți experți îndeamnă la prudență. Cercetători precum Carlos Sabín, de la Departamentul de Fizică Teoretică al Universității Autonome din Madrid, subliniază că Alte avantaje cuantice au fost deja anunțate, care au fost ulterior calificate. În timp ce alte grupuri au rafinat algoritmi clasici sau au găsit modalități de a aproxima rezultatele folosind computere convenționale, comunitatea științifică este acum în proces de verificare a măsurii în care experimentul Google marchează o limită fermă.

Aplicații în chimie: molecule, RMN și visul „cuantoscopului”

Unul dintre cele mai izbitoare aspecte ale ecourilor cuantice este utilizarea sa ca instrument pentru simulare chimică și spectroscopie cuanticăÎn colaborare cu Universitatea din California, Berkeley, Google a rulat algoritmul pe Willow pentru a studia două molecule: una cu 15 atomi și alta cu 28, folosind date experimentale de rezonanță magnetică nucleară (RMN) ca punct de comparație.

RMN-ul, vărul spectroscopic al imagisticii prin rezonanță magnetică medicală, acționează ca un microscop molecular bazat pe „spini” magnetici a nucleelor ​​atomice. Prin detectarea modului în care acești spini răspund la câmpuri magnetice și semnale de radiofrecvență, oamenii de știință pot deduce poziția relativă a atomilor și, în consecință, structura moleculei. Este un instrument fundamental în chimie, biologie și știința materialelor.

Problema este că, atunci când moleculele devin mari sau interacțiunile dintre spini devin mai complexe, Metodele clasice de interpretare a datelor RMN devin extrem de scumpe Din punct de vedere computațional, aici intervine Quantum Echoes: capacitatea sa de a urmări dinamica cuantică internă a unui sistem haotic îi permite să modeleze mai eficient interacțiunile dintre spini pe distanțe lungi.

În demonstrația conceptului realizată cu Berkeley, rezultatele obținute cu algoritmul cuantic Acestea au coincis cu măsurătorile RMN tradiționale. pentru ambele molecule, ceea ce a reprezentat prima validare puternică a abordării. În plus, analiza cuantică a dezvăluit detalii suplimentare despre dinamica spinului care nu pot fi obținute în mod normal cu tehnicile clasice, indicând o sensibilitate mai mare.

Cercetători precum Ashok Ajoy, colaborator la Google Quantum AI și profesor la Berkeley, vorbesc deja despre un viitor... „Spectroscopie cuantică” capabilă să depășească limitele actualeÎn acest scenariu, combinarea RMN-ului experimental cu algoritmi cuantici precum Quantum Echoes ar putea deveni un instrument de top pentru descoperirea de noi medicamente, o mai bună înțelegere a bolilor complexe precum Alzheimer sau proiectarea de materiale avansate pentru baterii, polimeri sau chiar qubiți supraconductori.

Impactul potențial asupra medicinei, științei materialelor și altor industrii

Dacă promisiunile Google se materializează, Quantum Echoes ar putea fi primul pas serios către... computere cuantice cu aplicații tangibile în lumea realăCapacitatea de a modela cu precizie sistemele cuantice cu mai multe corpuri are implicații directe în domenii precum chimia computațională, unde simularea interacțiunilor electronice complexe este o problemă aproape prohibitivă pentru calculul clasic.

În domeniul biomedical, acest lucru se traduce prin posibilitatea de a pentru a explora mult mai eficient spațiul moleculelor candidate la medicamenteÎn loc să testeze orbește mii de compuși, un computer cuantic ar putea ajuta la prezicerea structurilor care se potrivesc cel mai bine unei ținte biologice specifice, accelerând dezvoltarea de tratamente pentru boli neurodegenerative, cancer sau alte afecțiuni complexe.

În știința materialelor, aceeași logică se aplică și proiectarea de noi compuși cu proprietăți specificeSupraconductori mai stabili, materiale pentru baterii cu densitate energetică mai mare, polimeri avansați sau aliaje mai ușoare și mai rezistente. Controlul dinamicii cuantice la nivel microscopic face diferența între testarea combinațiilor aleatorii și ajustarea fină a rezultatelor cu o simulare fiabilă.

La toate acestea se adaugă impactul potențial asupra unor domenii precum securitatea cibernetică. Deși Quantum Echoes în sine nu are ca scop spargerea criptării, face parte din... același val de progres care aduce mașinile cuantice mai aproape de a fi utileComunitatea de securitate vorbește deja despre strategia „recoltează acum, decriptează mai târziu”: furatul datelor astăzi pentru a le decripta atunci când există computere cuantice capabile să spargă algoritmii criptografici actuali, ceea ce a determinat organizații precum Uniunea Europeană și ENISA să planifice tranziția către sisteme post-cuantice.

La nivel geopolitic, mișcarea Google se încadrează într-o... Concurență acerbă cu giganți precum IBM, Microsoft și mai mulți jucători chineziPlatforme precum Wukong din China sau dezvoltările IBM în domeniul qubiților supraconductori și al qubiților logici cu durată lungă de viață arată că nimeni nu vrea să fie lăsat în urmă. Avantajul cuantic verificabil pe care Google îl revendică este, pe lângă un progres științific, un mesaj strategic despre poziția sa în această cursă.

Limitări actuale și scepticism în cadrul comunității științifice

Nu e totul artificii. Deși experimentul Ecouri Cuantice reprezintă un salt înainte față de etapele anterioare, mai mulți experți subliniază că Evident că suntem încă într-o fază experimentală.Deocamdată, demonstrațiile au fost efectuate cu molecule relativ mici și cu circuite cuantice care, deși impresionante, sunt încă departe de ceea ce ar fi necesar pentru a aborda probleme industriale la scară largă.

Conform estimărilor colectate chiar de Google, pentru a ajunge la molecule care necesită de ordinul a 50 de qubiți fizici de complexitate relevantăAcest lucru ar necesita rularea între sute de mii și câteva milioane de porți logice cuantice. Acest număr este mult peste cele 792 de porți utilizate în experimentele actuale, iar tehnicile de atenuare a erorilor care funcționează în acest regim s-ar putea să nu fie adaptabile la circuite mult mai complexe.

Una dintre criticile recurente este că, deși demonstrația arată un avantaj cuantic real, O utilizare practică cu impact ridicat nu a fost încă dovedităCu alte cuvinte, algoritmul a servit la validarea metodelor și la studierea sistemelor care pot fi gestionate cu tehnici clasice îmbunătățite, dar nu a rezolvat încă o problemă care era total imposibil de atins pentru calculul clasic într-un context industrial sau medical specific.

În plus, problema corectării erorilor rămâne un obstacol. Operarea computerelor cuantice la scară largă necesită Qubiți logici robusti construiți din mai mulți qubiți fiziciastfel încât erorile individuale să poată fi detectate și corectate fără pierderea informațiilor. Google a identificat acest obiectiv ca fiind etapa 3 a foii sale de parcurs cuantice: realizarea unui qubit logic cu durată lungă de viață, care să poată face față cerințelor executării algoritmilor complecși fără a se bloca.

În ciuda acestor rezerve, chiar și cele mai prudente voci recunosc că Ecourile cuantice ar putea fi un pas preliminar important în direcția demonstrării utilității practice. Cheia va fi să vedem dacă alte laboratoare pot reproduce experimentul, pot îmbunătăți algoritmii clasici concurenți și, mai presus de toate, pot scala aceste tehnici la sisteme cu mai mulți qubiți și mai multe porți fără ca erorile să crească vertiginos.

Privind imaginea de ansamblu, Quantum Echoes se conturează ca o... un semn clar că hardware-ul și software-ul cuantic avansează în paralelWillow demonstrează că este posibil să se opereze cu rate de eroare suficient de mici pentru a permite protocoale delicate de inversare a timpului, în timp ce algoritmul deschide ușa către aplicații care abordează direct probleme fizice din lumea reală. Mai este un drum lung de parcurs, dar primele ecouri ale calculului cuantic aplicat încep să se audă puternic.

Articol asociat:

Google AI Overviews ajunge în Spania: ce este și cum schimbă căutarea