Како функционише Гуглов алгоритам квантних одјека

Информатек Дигитал » Средства » Како функционише Гуглов алгоритам квантних одјека

La Квантно рачунарство више није само теорија да почне да се укључује у разговоре о медицини, напредним материјалима или сајбер безбедности. Гугл годинама покушава да то докаже њихови квантни рачунари Ово нису само прототипови који привлаче пажњу, већ алати са применом у стварном свету. Са алгоритмом Квантумни одјеци и његовим чипом Вилоу, компанија тврди да је постигла једну од оних прекретница које би могле да промене темпо ове технолошке трке.

Овај нови алгоритам, корелат ван редоследа Дизајниран да проучава како се квантне информације шире у сложеним системима, није само невероватно брз: према објављеним подацима, ради око 13.000 пута брже од најбољих класичних суперрачунара за еквивалентан задатак. Али оно што је најзанимљивије јесте да је то проверљив алгоритам, што значи да се његови резултати могу поновити и проверити на другим сличним квантним уређајима – кључни фактор ако желимо да ова технологија изађе ван лабораторије.

Шта је тачно Квантни одјеци и зашто сви причају о томе?

Квантни одјеци су Квантни алгоритам типа OTOC (Корелатор ванвременског реда). Његова главна функција је мерење како се стање кубита мења након што се квантни систем подвргне низу операција, а затим „премота“ његову еволуцију. У пракси, делује као термометар квантног хаоса: анализира како се информације распршују унутар скупа кубита мерењем величина као што су магнетизација, густина, струје и брзина.

Оно што Гугл предлаже јесте да се овај алгоритам користи као нека врста пажљиво дизајниран квантни ехоПрво, Willow чип прима сложени квантни сигнал који узрокује еволуцију система. Затим се у одређени кубит уводи мала пертурбација, а потом се извршава обрнути низ операција како би се покушао поништити процес. На крају целог овог процеса, систем враћа квантни „ехо“ почетног стања, који се, захваљујући конструктивној интерференцији, појачава и открива веома прецизне информације о томе шта се догодило успут.

Са теоријске тачке гледишта, ове врсте корелатора ван редоследа се користе за проучавање како се информације мешају и шире у изузетно сложеним системимакао што су модели који описују црне рупе или егзотичне квантне материјале. Оно што је овде ново јесте да су, по први пут, пренети из теорије у лабораторију експериментом који се може поновити и проверити, а који такође указује на веома специфичне физичке примене.

Гугл је представио ове резултате у два комплементарна рада: један објављен у ПриродаЈедан рад се фокусира на демонстрацију алгоритма и његове проверљиве квантне предности, док је други, објављен на arXiv репозиторијуму, више оријентисан на потенцијалне примене у хемији и спектроскопији. Међу потписницима чланка у часопису Nature је и Мишел Деворе, добитник Нобелове награде за физику за 2025. годину и кључна фигура у развоју суперпроводних кубита.

Према речима инжењера компаније, Квантни одјеци раде 13.000 пута брже на чипу Вилоу који је најбољи еквивалентни класични алгоритам извршава се на најмоћнијим суперрачунарима на свету. У практичном смислу, оно што би класичној машини требало хиљаде или трилионе година да реши, Вилоу постиже за неколико минута, прелазећи праг онога што се сматра потпуном квантном предношћу.

Основе квантног рачунарства за разумевање алгоритма

Да бисмо стекли јасну представу о томе како функционишу квантни одјеци, вреди запамтити да Квантни рачунар не ради са класичним битовима.али са кубитима. Док бит може бити само 0 или 1, кубит може бити у суперпозицији оба стања истовремено. Ово омогућава скупу кубита да истовремено представља огроман број комбинација нула и јединица.

Кубити се имплементирају манипулисањем физичким системима као што су фотони, електрони, заробљени јони, атоми или суперпроводна колаГугл, као и друге компаније, улаже у суперпроводљиве кубите, директне потомке експеримената у макроскопским квантним колима које су покренули Деворет и други истраживачи 1980-их. Ови кубити се могу испреплетати, односно делити заједничко квантно стање и формирати колективне структуре где се вероватноће комбинују попут таласа.

У овом контексту, квантни алгоритам није ништа више од низ логичких капија који се примењују на мрежа преклапајућих и испреплетених кубитаКако се коло развија, амплитуде вероватноће се међусобно појачавају или поништавају кроз интерференцију. Цака је у томе да се алгоритам дизајнира тако да се, на крају, исправна решења појачају и постану највероватнија приликом мерења система.

Конструктивна интерференција, један од кључева квантних одјека, настаје када квантни таласи се поравнавају у фази и сабирају се уместо да се међусобно поништавају. Ако је коло добро дизајнирано, овај ефекат чини да се коначни „ехо“ алгоритма јасно истиче из позадинске буке и омогућава веома осетљиво очитавање начина на који се информација ширила у систему, чак и ако је међупроцес био веома хаотичан.

Све ово звучи веома моћно, али уз то долази и озбиљан проблем: крхкост квантних система у суочавању са букомМинималне варијације температуре, вибрација, електромагнетног зрачења или спољашње сметње могу увести грешке у кубите, нарушити кохерентност система и уништити прорачун. Стога су квантна контрола грешака и смањење декохеренције два главна изазова индустрије.

Како Квантни одјеци раде корак по корак на чипу Вилоу

Врба је последња Гуглов суперпроводни квантни чипИ то је комад хардвера на којем ради Квантумни одјеци. Овај процесор је већ привукао пажњу завршавајући тестове за узорковање насумичних кола за мање од пет минута – задатке које конвенционални суперрачунар не би могао да обави ни за десетине септилиона година. Са Квантним одјецима, Вилоу поново заузима централно место.

Основна шема алгоритма може се схватити као квантно искуство „премотавања времена“, иако Ништа се не шаље у прошлостПроцес подразумева примену низа операција на систем, увођење малог поремећаја у одређени кубит, а затим извршавање истог низа у обрнутом смеру са изузетном прецизношћу. Ако је све правилно подешено, систем се враћа близу свог првобитног стања и ослобађа интерферометријски одјек који садржи мноштво информација.

На веома поједностављен начин, поступак прати три главне фазе: прво, добро контролисано почетно стање у скупу кубитаЗатим се том стању дозвољава да еволуира кроз низ квантних капија које га чине веома сложеним и хаотичним; коначно, извршава се временска ретроактивност кола, кубит се мења усред процеса и посматра се како та пертурбација утиче на коначни одјек.

Лепота овог подешавања је у томе што ехо измерен на крају није слаб одраз, већ сигнал појачан помоћу конструктивна интерференцијаУправо због тога, техника је изузетно осетљива на мале промене у унутрашњој динамици система. Гугл је искористио ову осетљивост да експоненцијално смањи ефективну стопу грешака чипа, постижући резултате испод прага на којем корекција грешака великих размера постаје одржива.

У неким од описаних експеримената, квантна машина је успела да реши проблем за нешто више од два сата, док би суперкомпјутеру Фронтиер - једном од најмоћнијих на свету - било потребно око 3,2 године непрекидног рада на рачунару да изврши еквивалентан класични код. Ова огромна разлика у перформансама, заједно са чињеницом да се резултат може поновити на Willow-у или другим уређајима сличног квалитета, основа је такозване „проверљиве квантне предности“.

Штавише, протокол који користи Google То не остаје једноставна вежба квантне супремације без применеЗа разлику од претходних експеримената, који су се фокусирали на вештачке математичке проблеме које је тешко превести у стварни свет, овде се алгоритам користи за симулацију веома специфичних физичких процеса: структура и динамика стварних молекула такође су проучаване помоћу нуклеарне магнетне резонанце.

Проверљива квантна предност: зашто је овај пробој другачији

До сада су многе најаве „квантне супремације“ наилазиле на критике јер Није било јасно како независно проверити резултате нити какву практичну употребу су имали решени проблеми. Гуглов прекретнички циљ из 2019. године, на пример, састојао се од извршавања прорачуна на случајном узорковању кола који ниједан суперрачунар није могао да понови у разумном року, али који такође није имао употребу ван лабораторије.

Са Квантним одјецима, компанија покушава да реши ту дебату експериментом који је од самог почетка осмишљен да буде проверљиво и поновити трик свакоме ко то желиАлгоритам је имплементиран са параметрима и конфигурацијама које друге истраживачке групе, са упоредивим квантним хардвером, могу покушати да реплицирају. Штавише, резултати квантне симулације су упоређени са класичним физичким мерењима добијеним коришћењем добро утврђених техника.

„Квантна проверљивост“ коју тврди Гугл почива на два стуба: прво, чињеници да се прорачуни могу репродуковати на другим сличним квантним машинама; друго, могућности упоредите резултате алгоритма са експерименталним подацима нуклеарна магнетна резонанција или класичне симулације у случајевима где су још увек изводљиве. Ова двострука валидација даје тежину тврдњи да се не ради само о математичком трику који је тешко проверити.

Да би ова врста демонстрације била могућа, хардвер мора да се комбинује брзе операције са изузетно ниским стопама грешакаБило какво одступање у секвенци обрнутог времена уништава коначни одјек. Чињеница да је Вилоу успео да превазиђе овај изазов без колапса имплицира да је контрола над суперпроводним кубитима достигла изузетан ниво, далеко зрелији него пре само неколико година.

Упркос томе, неколико стручњака позива на опрез. Истраживачи попут Карлоса Сабина, са Одељења за теоријску физику на Аутономном универзитету у Мадриду, истичу да Већ су најављене и друге квантне предности, које су накнадно квалификоване. Док су друге групе усавршиле класичне алгоритме или пронашле начине да апроксимирају резултате користећи конвенционалне рачунаре, научна заједница је сада у процесу провере у којој мери Гуглов експеримент означава чврсту границу.

Примена у хемији: молекули, NMR и сан о „квантоскопу“

Један од најупечатљивијих аспеката квантних одјека је његова употреба као алата за хемијска симулација и квантна спектроскопијаУ сарадњи са Универзитетом Калифорније у Берклију, Гугл је покренуо алгоритам на Вилоуу како би проучио два молекула: један са 15 атома и други са 28, користећи експерименталне податке нуклеарне магнетне резонанце (НМР) као тачку поређења.

МРИ, спектроскопски рођак медицинске магнетне резонанце, делује као молекуларни микроскоп заснован на магнетним „спиновима“ атомских језгара. Детекцијом како ови спинови реагују на магнетна поља и радиофреквентне сигнале, научници могу да закључе о релативном положају атома и, последично, структури молекула. ​​То је фундаментални алат у хемији, биологији и науци о материјалима.

Проблем је у томе што, када молекули постану велики или интеракције између спинова постану сложеније, Класичне методе за тумачење NMR података постају изузетно скупе Са рачунарске тачке гледишта, ту долази до изражаја Квантни одјеци: његова способност праћења унутрашње квантне динамике хаотичног система омогућава му ефикасније моделирање интеракција између спинова на великим удаљеностима.

У доказу концепта спроведеном са Берклијем, резултати добијени квантним алгоритмом Поклопила су се са традиционалним МРИ мерењима. за оба молекула, што је представљало прву јаку валидацију приступа. Али поред тога, квантна анализа је открила додатне детаље о динамици спина који се нормално не могу добити класичним техникама, указујући на већу осетљивост.

Истраживачи попут Ашока Аџоја, сарадника компаније Google Quantum AI и професора на Берклију, већ говоре о будућности „Квантна спектроскопија“ способна да превазиђе тренутна ограничењаУ овом сценарију, комбинација експерименталне НМР спектроскопије са квантним алгоритмима као што су Квантни одјеци могла би постати врхунски алат за откривање нових лекова, боље разумевање сложених болести попут Алцхајмерове болести или дизајнирање напредних материјала за батерије, полимере, па чак и саме суперпроводне кубите.

Потенцијални утицај на медицину, науку о материјалима и друге индустрије

Ако се Гуглова обећања остваре, Квантни одјеци би могли бити први озбиљан корак ка квантни рачунари са опипљивим применама у стварном светуСпособност прецизног моделирања квантних система са више тела има директне импликације у областима као што је рачунарска хемија, где је симулација сложених електронских интеракција готово превелики проблем за класично рачунарство.

У биомедицинској области, ово се претвара у могућност да се много ефикасније истражи простор молекула кандидата за лековеУместо слепог тестирања хиљада једињења, квантни рачунар би могао да помогне у предвиђању које структуре најбоље одговарају одређеној биолошкој мети, убрзавајући развој третмана за неуродегенеративне болести, рак или друге сложене болести.

У науци о материјалима, иста логика важи и за дизајнирати нова једињења са специфичним својствимаСтабилнији суперпроводници, материјали за батерије са већом густином енергије, напредни полимери или лакше и јаче легуре. Контрола над квантном динамиком на микроскопском нивоу прави разлику између тестирања случајних комбинација и финог подешавања резултата поузданом симулацијом.

Свему овоме се додаје потенцијални утицај на области као што је сајбер безбедност. Иако сам Квантни одјек није усмерен на разбијање енкрипције, он је део исти талас напретка који квантне машине приближава корисностиБезбедносна заједница већ говори о стратегији „прикупи сада, дешифруј касније“: крађа података данас да би се дешифровали када постоје квантни рачунари који су способни да разбију тренутне криптографске алгоритме, што је навело организације попут Европске уније и ENISA да планирају прелазак на постквантне системе.

На геополитичком нивоу, Гуглов потез се уклапа у Жестока конкуренција са гигантима попут IBM-а, Microsoft-а и неколико кинеских играчаПлатформе попут Вуконга у Кини, или IBM-ов развој суперпроводних кубита и дуготрајних логичких кубита, показују да нико не жели да заостане. Проверљива квантна предност коју Google тврди је, поред научног напретка, стратешка порука о његовој позицији у овој трци.

Тренутна ограничења и скептицизам унутар научне заједнице

Није све ватромет. Иако експеримент Квантни одјеци представља корак напред у односу на претходне прекретнице, неколико стручњака наглашава да Још увек смо очигледно у експерименталној фази.За сада су демонстрације спроведене са релативно малим молекулима и са квантним колима која, иако импресивна, још увек су далеко од онога што би било потребно за решавање великих индустријских проблема.

Према проценама које је прикупио сам Гугл, да би се дошло до молекула којима је потребно око 50 физичких кубита релевантне сложеностиОво би захтевало рад са стотинама хиљада и неколико милиона квантних логичких капија. Тај број је далеко изнад 792 капије које се користе у тренутним експериментима, а технике за ублажавање грешака које функционишу у овом режиму можда се неће добро применити на много дубља кола.

Једна од стално понављајућих критика је да, иако демонстрација показује праву квантну предност, Практична употреба са великим утицајем још није доказанаДругим речима, алгоритам је послужио за валидацију метода и проучавање система који се могу обрадити побољшаним класичним техникама, али још увек није решио проблем који је био потпуно недостижан за класично рачунарство у специфичном индустријском или медицинском контексту.

Штавише, питање исправљања грешака остаје препрека. Рад великих квантних рачунара захтева Робусни логички кубити изграђени од многих физичких кубитатако да се појединачне грешке могу открити и исправити без губитка информација. Гугл је овај циљ идентификовао као трећу прекретницу своје квантне мапе пута: постизање дуготрајног логичког кубита који може да издржи захтеве покретања сложених алгоритама без пада система.

Упркос овим резервама, чак и најопрезнији гласови признају да Квантни одјеци могу бити важан прелиминарни корак у правцу демонстрирања практичне корисности. Кључно ће бити видети да ли друге лабораторије могу да репродукују експеримент, побољшају конкурентске класичне алгоритме и, пре свега, примене ове технике на системе са више кубита и више капија без вртоглавог повећања грешака.

Гледајући ширу слику, Квантни одјеци се обликују као јасан знак да квантни хардвер и софтвер напредују паралелноВилоу показује да је могуће радити са стопама грешака довољно ниским да омогуће осетљиве протоколе за обрнуто време, док алгоритам отвара врата апликацијама које се директно баве физичким проблемима из стварног света. Пред нама је још дуг пут, али први одјеци примењеног квантног рачунарства почињу да се гласно чују.

Повезани чланак:

Гоогле АИ Овервиевс стиже у Шпанију: шта је то и како мења претрагу