Как работает алгоритм Quantum Echoes от Google

Информатек Диджитал » Ресурсы » Как работает алгоритм Quantum Echoes от Google

La квантовые вычисления — это уже не просто теория начать вмешиваться в разговоры о медицине, передовых материалах или кибербезопасности. Google годами пытается продемонстрировать, что их квантовые компьютеры Это не просто эффектные прототипы, а инструменты, имеющие реальное применение. Компания утверждает, что с помощью алгоритма квантового эха и чипа Willow она достигла одного из тех рубежей, которые могут изменить темп этой технологической гонки.

Этот новый алгоритм, неисправный коррелятор Разработанный для изучения распространения квантовой информации в сложных системах, он не просто невероятно быстр: согласно опубликованным данным, он работает примерно в 13 000 раз быстрее лучших классических суперкомпьютеров при выполнении аналогичной задачи. Но самое интересное, что это проверяемый алгоритм, то есть его результаты можно повторить и проверить на других подобных квантовых устройствах — ключевой фактор, если мы хотим, чтобы эта технология вышла за рамки лабораторных исследований.

Что же такое квантовое эхо и почему о нем все говорят?

Квантовое эхо — это Квантовый алгоритм типа OTOC (Коррелятор вневременного порядка). Его основная функция — измерение изменения состояния кубита после воздействия на квантовую систему серии операций и последующего «перемотки» её эволюции. На практике он действует как термометр квантового хаоса: анализирует распределение информации внутри набора кубитов, измеряя такие величины, как намагниченность, плотность, токи и скорость.

Google предлагает использовать этот алгоритм как своего рода тщательно спроектированное квантовое эхоСначала чип Willow получает сложный квантовый сигнал, который вызывает эволюцию системы. Затем в определённый кубит вносится небольшое возмущение, после чего выполняется обратная последовательность операций, чтобы попытаться отменить процесс. В конце всего этого процесса система возвращает квантовое «эхо» исходного состояния, которое, благодаря конструктивной интерференции, усиливается и раскрывает высокоточную информацию о том, что произошло на этом пути.

С теоретической точки зрения, эти типы неупорядоченных корреляторов используются для изучения как информация смешивается и распространяется в чрезвычайно сложных системахНапример, модели, описывающие чёрные дыры или экзотические квантовые материалы. Новое здесь заключается в том, что впервые они были перенесены из теории в лабораторные условия, с помощью эксперимента, который можно повторить и проверить, а также который указывает на весьма конкретные физические приложения.

Google представила эти результаты в двух дополнительных статьях: одна из них опубликована в ПриродаОдна статья посвящена демонстрации алгоритма и его проверяемого квантового преимущества, в то время как другая, опубликованная в репозитории arXiv, больше ориентирована на потенциальные приложения в химии и спектроскопии. Среди подписавших статью в Nature — Мишель Деворе, лауреат Нобелевской премии по физике 2025 года и ключевая фигура в разработке сверхпроводящих кубитов.

По словам инженеров компании, Квантовое эхо работает в 13 000 раз быстрее на чипе Willow, который самый лучший эквивалентный классический алгоритм Выполнено на самых мощных суперкомпьютерах мира. На практике то, на что классическому компьютеру потребовались бы тысячи или триллионы лет, Willow решает за несколько минут, преодолевая порог того, что считается полноценным квантовым преимуществом.

Основы квантовых вычислений для понимания алгоритма

Чтобы получить четкое представление о том, как работает квантовое эхо, стоит помнить, что Квантовый компьютер не работает с классическими битами.Но с кубитами. В то время как бит может быть только 0 или 1, кубит может находиться в суперпозиции обоих состояний одновременно. Это позволяет набору кубитов одновременно представлять огромное количество комбинаций нулей и единиц.

Кубиты реализуются путем манипулирования физическими системами, такими как фотоны, электроны, захваченные ионы, атомы или сверхпроводящие цепиGoogle, как и другие компании, инвестирует в сверхпроводящие кубиты, прямые потомки экспериментов с макроскопическими квантовыми цепями, начатых Деворе и другими исследователями в 1980-х годах. Эти кубиты могут запутываться, то есть находиться в общем квантовом состоянии, и образовывать коллективные структуры, в которых вероятности комбинируются подобно волнам.

В этом контексте квантовый алгоритм — это не что иное, как последовательность логических вентилей которые применяются к сеть перекрывающихся и переплетенных кубитовПо мере развития схемы амплитуды вероятностей усиливают или нейтрализуют друг друга посредством интерференции. Задача состоит в том, чтобы разработать алгоритм таким образом, чтобы в конечном итоге правильные решения усиливались и становились наиболее вероятными при измерении системы.

Конструктивная интерференция, один из ключей к квантовому эху, возникает, когда квантовые волны выравниваются по фазе и они суммируются, а не нейтрализуют друг друга. Если схема хорошо спроектирована, этот эффект позволяет четко выделить окончательное «эхо» алгоритма на фоне шума и позволяет очень точно определить, как информация распространилась в системе, даже если промежуточный процесс был крайне хаотичным.

Все это звучит очень убедительно, но вместе с тем есть и серьезная проблема: хрупкость квантовых систем перед лицом шумаМинимальные колебания температуры, вибрации, электромагнитного излучения или внешние помехи могут внести ошибки в кубиты, нарушить когерентность системы и привести к сбою вычислений. Поэтому контроль квантовых ошибок и снижение декогеренции являются двумя основными задачами отрасли.

Как пошагово работает квантовое эхо на чипе Willow

Уиллоу — последняя Сверхпроводящий квантовый чип GoogleИменно на этом оборудовании работает Quantum Echoes. Этот процессор уже привлёк внимание, пройдя тесты производительности для выборки случайных цепей менее чем за пять минут — задачи, которые обычный суперкомпьютер не смог бы выполнить и за десятки септиллионов лет. С Quantum Echoes Willow снова в центре внимания.

Базовую схему алгоритма можно понимать как квантовый опыт «перемотки времени», хотя Ничто не отправляется в прошлое.Процесс включает в себя применение последовательности операций к системе, внесение небольшого возмущения в конкретный кубит, а затем выполнение той же последовательности в обратном порядке с чрезвычайной точностью. При правильной настройке система возвращается практически в исходное состояние и испускает интерферометрическое эхо, содержащее огромное количество информации.

В очень упрощенном виде процедура состоит из трех основных этапов: во-первых, хорошо контролируемое начальное состояние в наборе кубитовЗатем этому состоянию позволяют эволюционировать через последовательность квантовых вентилей, которые делают его крайне сложным и хаотичным; наконец, выполняется обращение времени в схеме, кубит изменяется в середине процесса, и наблюдается, как это возмущение влияет на конечное эхо.

Прелесть этой установки в том, что измеряемое в конце эхо представляет собой не слабое отражение, а сигнал, усиленный конструктивная интерференцияИменно по этой причине данная технология чрезвычайно чувствительна к небольшим изменениям во внутренней динамике системы. Google использовала эту чувствительность для экспоненциального снижения эффективной частоты ошибок чипа, достигая результатов ниже порогового значения, при котором исправление крупномасштабных ошибок становится возможным.

В некоторых из описанных экспериментов квантовая машина смогла решить задачу всего за два часа, в то время как суперкомпьютеру Frontier — одному из самых мощных в мире — для этого потребовалось бы около 3,2 лет непрерывных вычислений для выполнения эквивалентного классического кода. Этот огромный разрыв в производительности, в сочетании с тем фактом, что результат можно повторить на Willow или других устройствах аналогичного качества, лежит в основе так называемого «проверяемого квантового преимущества».

Кроме того, протокол, используемый Google, Это не остается простым упражнением в квантовом превосходстве без примененияВ отличие от предыдущих экспериментов, которые были сосредоточены на искусственных математических задачах, которые трудно перенести в реальный мир, здесь алгоритм используется для моделирования очень конкретных физических процессов: структуры и динамики реальных молекул, также изучаемых с помощью ядерного магнитного резонанса.

Подтверждаемое квантовое преимущество: чем этот прорыв отличается

До сих пор многие заявления о «квантовом превосходстве» подвергались критике, потому что Было неясно, как независимо проверить результаты. ни какое практическое применение имели решённые задачи. Например, важной вехой Google в 2019 году стало выполнение расчёта на основе случайной выборки цепей, который ни один суперкомпьютер не мог воспроизвести за разумное время, но который также не нашёл применения за пределами лаборатории.

С помощью Quantum Echoes компания пытается разрешить этот спор с помощью эксперимента, изначально разработанного для проверяемый и повторяемый трюк любому, кто захочетАлгоритм был реализован с параметрами и конфигурациями, которые другие исследовательские группы, использующие сопоставимое квантовое оборудование, могут попытаться воспроизвести. Более того, результаты квантового моделирования сравниваются с классическими физическими измерениями, полученными с использованием хорошо зарекомендовавших себя методов.

«Квантовая проверяемость», заявленная Google, основывается на двух принципах: во-первых, на том факте, что вычисления могут быть воспроизведены на других подобных квантовых машинах; во-вторых, на возможности сравните вывод алгоритма с экспериментальными данными ядерно-магнитно-резонансная томография или классическое моделирование, если они всё ещё возможны. Эта двойная проверка подтверждает, что мы имеем дело не просто с математическим трюком, который трудно проверить.

Чтобы этот тип демонстрации был возможен, оборудование должно сочетать в себе высокоскоростные операции с чрезвычайно низким уровнем ошибокЛюбое отклонение в последовательности обращения времени портит финальное эхо. Тот факт, что Уиллоу удалось преодолеть эту проблему без коллапсов, говорит о том, что контроль над сверхпроводящими кубитами достиг поразительного уровня, гораздо более зрелого, чем всего несколько лет назад.

Тем не менее, ряд экспертов призывают к осторожности. Исследователи, такие как Карлос Сабин с кафедры теоретической физики Автономного университета Мадрида, отмечают, что Ранее были объявлены и другие квантовые преимущества, которые впоследствии были квалифицированы. В то время как другие группы совершенствовали классические алгоритмы или находили способы приблизиться к результатам с помощью обычных компьютеров, научное сообщество сейчас проверяет, в какой степени эксперимент Google обозначает твердую границу.

Применение в химии: молекулы, ЯМР и мечта о «квантоскопе»

Одним из наиболее поразительных аспектов квантового эха является его использование в качестве инструмента для химическое моделирование и квантовая спектроскопияВ сотрудничестве с Калифорнийским университетом в Беркли компания Google запустила алгоритм на Willow для изучения двух молекул: одной с 15 атомами и другой с 28, используя экспериментальные данные ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в качестве точки сравнения.

МРТ, спектроскопический аналог медицинской магнитно-резонансной томографии, действует как молекулярный микроскоп на основе магнитных «спинов» атомных ядер. Наблюдая, как эти спины реагируют на магнитные поля и радиочастотные сигналы, учёные могут определить относительное расположение атомов и, следовательно, структуру молекулы. Это фундаментальный инструмент в химии, биологии и материаловедении.

Проблема в том, что когда молекулы становятся большими или взаимодействия между спинами становятся более сложными, Классические методы интерпретации данных ЯМР становятся чрезвычайно дорогими С вычислительной точки зрения, именно здесь на помощь приходит квантовое эхо: его способность отслеживать внутреннюю квантовую динамику хаотической системы позволяет ему более эффективно моделировать взаимодействия между спинами на больших расстояниях.

В ходе проверки концепции, проведенной в Беркли, были получены результаты с помощью квантового алгоритма Они совпали с традиционными измерениями МРТ. для обеих молекул, что стало первым убедительным подтверждением эффективности подхода. Кроме того, квантовый анализ выявил дополнительные детали спиновой динамики, которые обычно невозможно получить с помощью классических методов, что указывает на более высокую чувствительность.

Такие исследователи, как Ашок Аджой, сотрудничающий с Google Quantum AI и профессор Беркли, уже говорят о будущем «Квантовая спектроскопия», способная выйти за рамки современных ограниченийВ этом сценарии сочетание экспериментального ЯМР с квантовыми алгоритмами, такими как Quantum Echoes, может стать первоклассным инструментом для открытия новых лекарств, лучшего понимания сложных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, или разработки современных материалов для батарей, полимеров или даже самих сверхпроводящих кубитов.

Потенциальное влияние на медицину, материаловедение и другие отрасли

Если обещания Google оправдаются, квантовое эхо может стать первым серьезным шагом на пути к квантовые компьютеры с реальными приложениямиВозможность точного моделирования многочастичных квантовых систем имеет прямое отношение к таким областям, как вычислительная химия, где моделирование сложных электронных взаимодействий является практически невыполнимой задачей для классических вычислений.

В области биомедицины это означает возможность гораздо эффективнее исследовать пространство молекул-кандидатов на лекарстваВместо того чтобы слепо тестировать тысячи соединений, квантовый компьютер мог бы помочь предсказать, какие структуры лучше всего подходят для конкретной биологической цели, ускоряя разработку методов лечения нейродегенеративных заболеваний, рака и других сложных заболеваний.

В материаловедении та же логика применима к разрабатывать новые соединения с определенными свойствамиБолее стабильные сверхпроводники, материалы для аккумуляторов с более высокой плотностью энергии, усовершенствованные полимеры или более лёгкие и прочные сплавы. Контроль над квантовой динамикой на микроскопическом уровне — это разница между тестированием случайных комбинаций и точной настройкой результатов с помощью надёжного моделирования.

К этому следует добавить потенциальное влияние на такие области, как кибербезопасность. Хотя сама технология Quantum Echoes не направлена ​​на взлом шифрования, она является частью та же волна прогресса, которая приближает квантовые машины к практическому применениюСообщество специалистов по безопасности уже обсуждает стратегию «собирать сейчас, расшифровывать позже»: данные похищаются сегодня, чтобы расшифровать их, когда появятся квантовые компьютеры, способные взломать текущие криптографические алгоритмы. Это побудило такие организации, как Европейский союз и ENISA, запланировать переход к постквантовым системам.

На геополитическом уровне действия Google вписываются в Жесткая конкуренция с такими гигантами, как IBM, Microsoft и несколькими китайскими игрокамиТакие платформы, как Wukong в Китае, или разработки IBM в области сверхпроводящих кубитов и долгоживущих логических кубитов, показывают, что никто не хочет оставаться позади. Подтверждаемое квантовое преимущество, о котором заявляет Google, — это не только научный прогресс, но и стратегический сигнал о её позиции в этой гонке.

Текущие ограничения и скептицизм в научном сообществе

Но это ещё не всё. Хотя эксперимент «Квантовое эхо» представляет собой скачок вперёд по сравнению с предыдущими достижениями, некоторые эксперты подчёркивают, что Мы все еще явно находимся на экспериментальной стадии.На данный момент демонстрации проводились с относительно небольшими молекулами и квантовыми схемами, которые, хотя и впечатляют, все еще далеки от того, что потребовалось бы для решения крупномасштабных промышленных задач.

По оценкам, собранным самой компанией Google, чтобы достичь молекул, требуется порядка 50 физических кубитов соответствующей сложностиДля этого потребуется задействовать от сотен тысяч до нескольких миллионов квантовых логических вентилей. Это число значительно превышает 792 вентиля, используемых в текущих экспериментах, и методы снижения ошибок, работающие в этом режиме, могут не масштабироваться для более глубоких схем.

Одно из постоянных критических замечаний заключается в том, что, хотя демонстрация показывает реальное квантовое преимущество, Высокоэффективное практическое применение пока не доказано.Другими словами, алгоритм послужил для проверки методов и изучения систем, с которыми можно работать с помощью усовершенствованных классических методов, но он пока не решил проблему, которая была бы совершенно неразрешима для классических вычислений в конкретном промышленном или медицинском контексте.

Более того, проблема исправления ошибок остаётся сложной. Для работы крупных квантовых компьютеров требуется Надежные логические кубиты, построенные из множества физических кубитовчтобы отдельные ошибки можно было обнаруживать и исправлять без потери информации. Google обозначила эту цель как третью веху своей квантовой дорожной карты: создание долгоживущего логического кубита, способного выдерживать нагрузку сложных алгоритмов без сбоев.

Несмотря на эти оговорки, даже самые осторожные голоса признают, что Квантовое эхо может стать важным предварительным шагом в направлении демонстрации практической пользы. Ключевым моментом станет проверка того, смогут ли другие лаборатории воспроизвести эксперимент, улучшить конкурирующие классические алгоритмы и, прежде всего, масштабировать эти методы на системы с большим количеством кубитов и вентилей без резкого роста числа ошибок.

Глядя на общую картину, квантовое эхо выглядит как явный признак того, что квантовое оборудование и программное обеспечение развиваются параллельноУиллоу демонстрирует возможность работы с достаточно низким уровнем ошибок, что позволяет использовать деликатные протоколы обращения времени, в то время как алгоритм открывает двери для приложений, непосредственно решающих реальные физические задачи. Впереди ещё долгий путь, но первые отголоски прикладных квантовых вычислений уже слышны.

Теме статьи:

Google AI Overviews выходит в Испанию: что это такое и как это меняет поиск