Kako deluje Googlov algoritem kvantnih odmevov

Informatec Digital » Viri » Kako deluje Googlov algoritem kvantnih odmevov

La Kvantno računalništvo ni več le teorija da se začne vpletati v pogovore o medicini, naprednih materialih ali kibernetski varnosti. Google že leta poskuša dokazati, da njihovi kvantni računalniki To niso le privlačni prototipi, temveč orodja z resničnimi aplikacijami. Z algoritmom Quantum Echoes in njegovim čipom Willow podjetje trdi, da je doseglo enega tistih mejnikov, ki bi lahko spremenili tempo te tehnološke tekme.

Ta novi algoritem, korelator izven reda Zasnovan za preučevanje širjenja kvantnih informacij v kompleksnih sistemih, ni le neverjetno hiter: po objavljenih podatkih deluje približno 13.000-krat hitreje kot najboljši klasični superračunalniki za enakovredno nalogo. Najbolj zanimivo pa je, da gre za preverljiv algoritem, kar pomeni, da je njegove rezultate mogoče ponoviti in preveriti na drugih podobnih kvantnih napravah – ključni dejavnik, če želimo, da se ta tehnologija razširi izven laboratorija.

Kaj točno so kvantni odmevi in ​​zakaj vsi govorijo o tem?

Kvantni odmevi so Kvantni algoritem tipa OTOC (Korelator izvenčasovnega reda). Njegova glavna funkcija je merjenje, kako se stanje kubita spremeni po tem, ko je kvantni sistem podvržen vrsti operacij, in nato "previjanje" njegove evolucije. V praksi deluje kot termometer kvantnega kaosa: analizira, kako se informacije razpršijo znotraj niza kubitov, z merjenjem količin, kot so magnetizacija, gostota, tokovi in ​​hitrost.

Google predlaga uporabo tega algoritma kot neke vrste skrbno zasnovan kvantni odmevNajprej čip Willow prejme kompleksen kvantni signal, ki povzroči razvoj sistema. Nato se v določen kubit vnese majhna motnja, nato pa se izvede obratno zaporedje operacij, da se poskusi razveljaviti proces. Na koncu celotnega procesa sistem vrne kvantni "odmev" začetnega stanja, ki se zaradi konstruktivne interference ojača in razkrije zelo natančne informacije o tem, kaj se je zgodilo na poti.

S teoretičnega vidika se te vrste korelatorjev izven reda uporabljajo za preučevanje kako se informacije mešajo in širijo v izjemno kompleksnih sistemihkot so modeli, ki opisujejo črne luknje ali eksotične kvantne materiale. Novost je, da so bili prvič preneseni iz teorije v laboratorij s poskusom, ki ga je mogoče ponoviti in preveriti, in ki kaže tudi na zelo specifične fizikalne aplikacije.

Google je te rezultate predstavil v dveh dopolnilnih člankih: enem objavljenem v NaravaEn članek se osredotoča na demonstracijo algoritma in njegove preverljive kvantne prednosti, medtem ko je drugi, objavljen v repozitoriju arXiv, bolj usmerjen na potencialne aplikacije v kemiji in spektroskopiji. Med podpisniki članka v reviji Nature je Michel Devoret, dobitnik Nobelove nagrade za fiziko za leto 2025 in ključna osebnost pri razvoju superprevodnih kubitov.

Po besedah ​​inženirjev podjetja, Kvantni odmevi delujejo 13.000-krat hitreje na čipu Willow, ki je najboljši ekvivalenten klasični algoritem izvedeno na najzmogljivejših superračunalnikih na svetu. V praksi Willow tisto, za kar bi klasični stroj potreboval tisoče ali bilijone let, reši v nekaj minutah in s tem prestopi prag tistega, kar velja za polnopravno kvantno prednost.

Osnove kvantnega računalništva za razumevanje algoritma

Da bi dobili jasno predstavo o tem, kako delujejo kvantni odmevi, si je vredno zapomniti, da Kvantni računalnik ne deluje s klasičnimi biti.vendar s kubiti. Medtem ko je bit lahko le 0 ali 1, je kubit lahko v superpoziciji obeh stanj hkrati. To omogoča, da niz kubitov hkrati predstavlja ogromno število kombinacij ničel in enic.

Kubiti se izvajajo z manipulacijo fizičnih sistemov, kot so fotoni, elektroni, ujeti ioni, atomi ali superprevodna vezjaGoogle, tako kot druga podjetja, vlaga v superprevodne kubite, neposredne potomce poskusov v makroskopskih kvantnih vezjih, ki so jih v osemdesetih letih prejšnjega stoletja začeli Devoret in drugi raziskovalci. Ti kubiti se lahko prepletajo, torej si delijo skupno kvantno stanje, in tvorijo kolektivne strukture, kjer se verjetnosti združujejo kot valovi.

V tem kontekstu kvantni algoritem ni nič drugega kot zaporedje logičnih vrat ki se uporabljajo za mreža prekrivajočih se in prepletenih kubitovKo se vezje razvija, se amplitude verjetnosti medsebojno krepijo ali izničijo zaradi interference. Trik je v tem, da algoritem zasnujemo tako, da se na koncu pravilne rešitve ojačajo in postanejo najbolj verjetne pri merjenju sistema.

Konstruktivna interferenca, eden od ključev kvantnih odmevov, se pojavi, ko kvantni valovi se poravnajo v fazi in se seštevajo, namesto da bi se medsebojno izničevali. Če je vezje dobro zasnovano, ta učinek povzroči, da končni »odmev« algoritma jasno izstopa iz šuma v ozadju in omogoča zelo občutljivo odčitavanje, kako se je informacija širila v sistemu, tudi če je bil vmesni proces zelo kaotičen.

Vse to se sliši zelo močno, vendar prinaša tudi resen problem: krhkost kvantnih sistemov v soočenju s hrupomŽe minimalne spremembe temperature, vibracij, elektromagnetnega sevanja ali zunanjih motenj lahko povzročijo napake v kubitih, prekinejo koherenco sistema in uničijo izračun. Zato sta kvantni nadzor napak in zmanjševanje dekoherence dva glavna izziva industrije.

Kako Quantum Echoes deluje korak za korakom na čipu Willow

Vrba je zadnja Googlov superprevodni kvantni čipIn to je strojna oprema, na kateri deluje Quantum Echoes. Ta procesor je že pritegnil pozornost, saj je v manj kot petih minutah opravil primerjalne teste za vzorčenje naključnih vezij – naloge, ki jih običajni superračunalnik ne bi mogel opraviti v desetih septilijonih let. S Quantum Echoes Willow znova prevzema osrednjo vlogo.

Osnovno shemo algoritma lahko razumemo kot kvantno izkušnjo "previjanja časa nazaj", čeprav Nič se ne pošilja v preteklostPostopek vključuje uporabo zaporedja operacij v sistemu, uvedbo majhne motnje v določen kubit in nato izvedbo istega zaporedja v obratni smeri z izjemno natančnostjo. Če je vse pravilno nastavljeno, se sistem vrne blizu prvotnega stanja in sprosti interferometrični odmev, ki vsebuje bogastvo informacij.

Zelo poenostavljeno povedano, postopek sledi trem glavnim fazam: prva, dobro nadzorovano začetno stanje v nizu kubitovNato se to stanje lahko razvija skozi zaporedje kvantnih vrat, zaradi katerih postane zelo kompleksno in kaotično; končno se izvede časovna obrnjenost vezja, sredi procesa se spremeni kubit in opazuje se, kako ta motnja vpliva na končni odmev.

Lepota te nastavitve je v tem, da odmev, izmerjen na koncu, ni šibek odsev, temveč signal, ojačan z konstruktivna interferencaPrav zaradi tega je tehnika izjemno občutljiva na majhne spremembe v notranji dinamiki sistema. Google je to občutljivost izkoristil za eksponentno zmanjšanje efektivne stopnje napak čipa in dosegel rezultate pod pragom, pri katerem postane izvedljivo odpravljanje napak v velikem obsegu.

V nekaterih opisanih poskusih je kvantni stroj problem rešil v nekaj več kot dveh urah, medtem ko bi superračunalnik Frontier – eden najmočnejših na svetu – potreboval približno 3,2 leta neprekinjenega računalništva za izvajanje enakovredne klasične kode. Ta ogromna vrzel v zmogljivosti, skupaj z dejstvom, da je rezultat mogoče ponoviti na Willowu ali drugih napravah podobne kakovosti, je osnova tako imenovane »preverljive kvantne prednosti«.

Poleg tega protokol, ki ga uporablja Google Brez uporabe ne ostane preprosta vaja v kvantni prevladi.Za razliko od prejšnjih poskusov, ki so se osredotočali na umetne matematične probleme, ki jih je težko prenesti v resnični svet, se tukaj algoritem uporablja za simulacijo zelo specifičnih fizikalnih procesov: struktura in dinamika resničnih molekul, ki so jih preučevali tudi z jedrsko magnetno resonanco.

Preverljiva kvantna prednost: zakaj je ta preboj drugačen

Do sedaj so bile številne napovedi o "kvantni prevladi" deležne kritik, ker Ni bilo jasno, kako neodvisno preveriti rezultate niti kakšno praktično uporabo so imeli rešeni problemi. Googlov mejnik leta 2019 je bil na primer izvedba izračuna na naključnem vzorčenju vezij, ki ga noben superračunalnik ni mogel ponoviti v razumnem času, a ki tudi ni bil uporaben zunaj laboratorija.

Z družbo Quantum Echoes poskuša podjetje to razpravo rešiti s poskusom, ki je bil od začetka zasnovan tako, da preverljivo in ponovite trik vsakomur, ki ga želiAlgoritem je bil implementiran s parametri in konfiguracijami, ki jih lahko poskušajo ponoviti tudi druge raziskovalne skupine s primerljivo kvantno strojno opremo. Poleg tega so rezultati kvantne simulacije primerjani s klasičnimi fizikalnimi meritvami, pridobljenimi z uporabo dobro uveljavljenih tehnik.

»Kvantna preverljivost«, ki jo trdi Google, temelji na dveh stebrih: prvič, na dejstvu, da je izračune mogoče reproducirati na drugih podobnih kvantnih strojih; drugič, na možnosti, da primerjajte izhod algoritma z eksperimentalnimi podatki slikanje z jedrsko magnetno resonanco ali klasične simulacije v primerih, ko so še vedno izvedljive. Ta dvojna validacija daje težo trditvi, da ne gre zgolj za matematični trik, ki ga je težko preveriti.

Da bi bila ta vrsta demonstracije mogoča, mora strojna oprema združevati visokohitrostne operacije z izjemno nizko stopnjo napakVsako odstopanje v zaporedju časovne reverzije uniči končni odmev. Dejstvo, da je Willow uspelo premagati ta izziv brez sesutja, pomeni, da je nadzor nad superprevodnimi kubiti dosegel izjemno raven, veliko bolj zrelo kot pred le nekaj leti.

Kljub temu več strokovnjakov poziva k previdnosti. Raziskovalci, kot je Carlos Sabín z oddelka za teoretično fiziko na Avtonomni univerzi v Madridu, poudarjajo, da Druge kvantne prednosti so bile že napovedane, ki so bile nato tudi kvalificirane. Medtem ko so druge skupine izpopolnile klasične algoritme ali našle načine za približevanje rezultatov z uporabo običajnih računalnikov, znanstvena skupnost zdaj preverja, v kolikšni meri Googlov eksperiment označuje trdno mejo.

Uporaba v kemiji: molekule, NMR in sanje o "kvantoskopu"

Eden najbolj presenetljivih vidikov kvantnih odmevov je njihova uporaba kot orodja za kemijska simulacija in kvantna spektroskopijaGoogle je v sodelovanju z Univerzo v Kaliforniji v Berkeleyju zagnal algoritem na Willowu za preučevanje dveh molekul: ene s 15 atomi in druge z 28, pri čemer je kot primerjalno točko uporabil podatke eksperimentalne jedrske magnetne resonance (NMR).

MRI, spektroskopski bratranec medicinske magnetne resonance, deluje kot molekularni mikroskop, ki temelji na magnetnih "spinih" atomskih jeder. Z zaznavanjem, kako se ti spini odzivajo na magnetna polja in radiofrekvenčne signale, lahko znanstveniki sklepajo o relativnem položaju atomov in posledično o strukturi molekule. To je temeljno orodje v kemiji, biologiji in znanosti o materialih.

Težava je v tem, da ko molekule postanejo velike ali interakcije med spini postanejo bolj zapletene, Klasične metode za interpretacijo NMR podatkov postajajo izjemno drage Z računskega vidika. Tukaj pride prav Quantum Echoes: njegova sposobnost sledenja notranji kvantni dinamiki kaotičnega sistema mu omogoča učinkovitejše modeliranje interakcij med spini na dolge razdalje.

V dokazu koncepta, ki ga je izvedla univerza Berkeley, so bili rezultati, pridobljeni s kvantnim algoritmom Sovpadale so s tradicionalnimi meritvami MRI. za obe molekuli, kar je predstavljalo prvo močno potrditev pristopa. Poleg tega pa je kvantna analiza razkrila nadaljnje podrobnosti o dinamiki spina, ki jih običajno ni mogoče dobiti s klasičnimi tehnikami, kar kaže na večjo občutljivost.

Raziskovalci, kot je Ashok Ajoy, sodelavec pri Google Quantum AI in profesor na Berkeleyju, že govorijo o prihodnosti "Kvantna spektroskopija", ki lahko preseže trenutne omejitveV tem scenariju bi lahko kombinacija eksperimentalnega NMR s kvantnimi algoritmi, kot so Quantum Echoes, postala vrhunsko orodje za odkrivanje novih zdravil, boljše razumevanje kompleksnih bolezni, kot je Alzheimerjeva bolezen, ali oblikovanje naprednih materialov za baterije, polimere ali celo same superprevodne kubite.

Potencialni vpliv na medicino, znanost o materialih in druge industrije

Če se bodo Googlove obljube uresničile, bi lahko bil Quantum Echoes prvi resen korak k temu. kvantni računalniki z oprijemljivimi aplikacijami v resničnem svetuZmožnost natančnega modeliranja kvantnih sistemov z več telesi ima neposredne posledice na področjih, kot je računalniška kemija, kjer je simuliranje kompleksnih elektronskih interakcij skoraj prepovedljiv problem za klasično računalništvo.

Na biomedicinskem področju se to prevede v možnost veliko učinkoviteje raziskati prostor molekul kandidatov za zdravilaNamesto slepega testiranja tisočih spojin bi lahko kvantni računalnik pomagal napovedati, katere strukture najbolje ustrezajo določenemu biološkemu cilju, kar bi pospešilo razvoj zdravljenja nevrodegenerativnih bolezni, raka ali drugih kompleksnih bolezni.

V znanosti o materialih velja ista logika za oblikovati nove spojine s specifičnimi lastnostmiStabilnejši superprevodniki, materiali za baterije z višjo energijsko gostoto, napredni polimeri ali lažje in močnejše zlitine. Nadzor nad kvantno dinamiko na mikroskopski ravni pomeni razliko med testiranjem naključnih kombinacij in natančnim uglaševanjem rezultatov z zanesljivo simulacijo.

K vsemu temu se doda še potencialni vpliv na področja, kot je kibernetska varnost. Čeprav Quantum Echoes sam po sebi ni namenjen razbijanju šifriranja, je del isti val napredka, ki kvantne stroje približuje uporabnostiVarnostna skupnost že govori o strategiji »pobiranje zdaj, dešifriranje kasneje«: krajo podatkov danes za dešifriranje, ko obstajajo kvantni računalniki, ki so sposobni razbiti trenutne kriptografske algoritme, kar je organizacije, kot sta Evropska unija in ENISA, spodbudilo k načrtovanju prehoda na postkvantne sisteme.

Na geopolitični ravni se Googlova poteza ujema z Ostra konkurenca z velikani, kot so IBM, Microsoft in več kitajskimi igralciPlatforme, kot je Wukong na Kitajskem ali IBM-ov razvoj superprevodnih kubitov in dolgoživih logičnih kubitov, kažejo, da nihče noče zaostajati. Preverljiva kvantna prednost, za katero trdi Google, je poleg znanstvenega napredka tudi strateško sporočilo o njegovem položaju v tej tekmi.

Trenutne omejitve in skepticizem znotraj znanstvene skupnosti

Ni vse samo ognjemet. Čeprav eksperiment Quantum Echoes predstavlja skok naprej od prejšnjih mejnikov, več strokovnjakov poudarja, da Očitno smo še vedno v eksperimentalni fazi.Zaenkrat so bile demonstracije izvedene z relativno majhnimi molekulami in s kvantnimi vezji, ki so sicer impresivna, a še vedno daleč od tistega, kar bi bilo potrebno za reševanje obsežnih industrijskih problemov.

Po ocenah, ki jih je zbral sam Google, je za dosego molekul, ki zahtevajo približno 50 fizičnih kubitov ustrezne kompleksnostiTo bi zahtevalo delovanje od sto tisoč do več milijonov kvantnih logičnih vrat. To število je daleč nad 792 vrati, ki se uporabljajo v trenutnih poskusih, in tehnike za zmanjševanje napak, ki delujejo v tem režimu, se morda ne bodo dobro prilegale veliko globljim vezjem.

Ena od ponavljajočih se kritik je, da čeprav demonstracija kaže resnično kvantno prednost, Praktična uporaba z visokim učinkom še ni bila dokazanaZ drugimi besedami, algoritem je služil za validacijo metod in preučevanje sistemov, ki jih je mogoče obravnavati z izboljšanimi klasičnimi tehnikami, vendar še ni rešil problema, ki je bil za klasično računalništvo popolnoma nedosegljiv v specifičnem industrijskem ali medicinskem kontekstu.

Poleg tega ostaja vprašanje popravljanja napak ovira. Delovanje velikih kvantnih računalnikov zahteva Robustni logični kubiti, zgrajeni iz mnogih fizičnih kubitovtako da je mogoče posamezne napake zaznati in popraviti brez izgube informacij. Google je ta cilj opredelil kot 3. mejnik svojega kvantnega načrta: doseči dolgoživi logični kubit, ki lahko prenese zahteve izvajanja kompleksnih algoritmov brez sesutja.

Kljub tem zadržkom celo najbolj previdni glasovi priznavajo, da Kvantni odmevi so lahko pomemben predhodni korak v smeri dokazovanja praktične uporabnosti. Ključno bo videti, ali lahko drugi laboratoriji ponovijo poskus, izboljšajo konkurenčne klasične algoritme in predvsem te tehnike prilagodijo sistemom z več kubiti in več vrati, ne da bi se napake močno povečale.

Če pogledamo širšo sliko, se Quantum Echoes oblikuje v jasen znak, da kvantna strojna in programska oprema napredujeta vzporednoWillow dokazuje, da je mogoče delovati z dovolj nizkimi stopnjami napak, da omogočajo občutljive protokole za obračanje časa, medtem ko algoritem odpira vrata aplikacijam, ki neposredno obravnavajo fizikalne probleme v resničnem svetu. Pred nami je še dolga pot, a prvi odmevi uporabnega kvantnega računalništva se že začenjajo glasno slišati.

Povezani članek:

Google AI Overviews prispe v Španijo: kaj je in kako spreminja iskanje