Så här fungerar Googles Quantum Echoes-algoritm

Informatec Digital » Resurser » Så här fungerar Googles Quantum Echoes-algoritm

La Kvantberäkning är inte längre bara teori att börja blanda sig i samtal om medicin, avancerade material eller cybersäkerhet. Google har i åratal försökt visa att deras kvantdatorer Det här är inte bara iögonfallande prototyper, utan verktyg med verkliga tillämpningar. Med Quantum Echoes-algoritmen och dess Willow-chip hävdar företaget att de har uppnått en av de milstolpar som kan komma att förändra takten i denna teknologiska kapplöpning.

Denna nya algoritm, en ur ordning korrelator Den är utformad för att studera hur kvantinformation fortplantar sig i komplexa system, och är inte bara otroligt snabb: enligt publicerade data fungerar den cirka 13 000 gånger snabbare än de bästa klassiska superdatorerna för en motsvarande uppgift. Men det mest intressanta är att det är en verifierbar algoritm, vilket innebär att dess resultat kan upprepas och kontrolleras på andra liknande kvantenheter – en nyckelfaktor om vi vill att den här tekniken ska gå bortom laboratoriet.

Vad exakt är kvantekon och varför pratar alla om det?

Kvanteko är en OTOC-typ kvantalgoritm (Out-of-Time-Order Correlator). Dess huvudsakliga funktion är att mäta hur tillståndet hos en qubit förändras efter att ett kvantsystem har utsatts för en serie operationer och sedan "spolats tillbaka" dess utveckling. I praktiken fungerar den som en termometer för kvantkaos: den analyserar hur information sprids inom en uppsättning qubits genom att mäta kvantiteter som magnetisering, densitet, strömmar och hastighet.

Vad Google föreslår är att använda den här algoritmen som ett slags noggrant utformat kvantekoFörst tar Willow-chippet emot en komplex kvantsignal som får systemet att utvecklas. Sedan introduceras en liten störning i en specifik qubit, och därefter utförs den omvända sekvensen av operationer för att försöka ångra processen. I slutet av hela denna process returnerar systemet ett kvant-"eko" av det initiala tillståndet, vilket tack vare konstruktiv interferens förstärks och avslöjar mycket exakt information om vad som har hänt längs vägen.

Ur teoretiskt perspektiv används den här typen av korrelatorer i fel ordning för att studera hur information blandas och sprids i extremt komplexa systemsåsom modeller som beskriver svarta hål eller exotiska kvantmaterial. Det nya här är att de för första gången har tagits från teori till laboratorium med ett experiment som kan upprepas och verifieras, och som också pekar på mycket specifika fysikaliska tillämpningar.

Google har presenterat dessa resultat i två kompletterande artiklar: en publicerad i NaturEn artikel fokuserar på att demonstrera algoritmen och dess verifierbara kvantfördel, medan en annan, publicerad på arXiv-arkivet, är mer inriktad på potentiella tillämpningar inom kemi och spektroskopi. Bland undertecknarna av Nature-artikeln finns Michel Devoret, vinnare av Nobelpriset i fysik 2025 och en nyckelfigur i utvecklingen av supraledande qubits.

Enligt företagets ingenjörer, Quantum Echoes fungerar 13 000 gånger snabbare på Willow-chipet som är det bästa ekvivalent klassisk algoritm exekveras på världens kraftfullaste superdatorer. I praktiken, vad en klassisk maskin skulle ta tusentals eller biljoner år att lösa, åstadkommer Willow på några minuter, och korsar därmed tröskeln till vad som anses vara en fullfjädrad kvantfördel.

Grunderna i kvantberäkning för att förstå algoritmen

För att få en klar uppfattning om hur Quantum Echoes fungerar är det värt att komma ihåg att En kvantdator fungerar inte med klassiska bitar.men med qubits. Medan en bit bara kan vara 0 eller 1, kan en qubit vara i en superposition av båda tillstånden samtidigt. Detta gör att en uppsättning qubits samtidigt kan representera ett stort antal kombinationer av nollor och ettor.

Qubits implementeras genom att manipulera fysiska system som fotoner, elektroner, infångade joner, atomer eller supraledande kretsarGoogle, liksom andra företag, investerar i supraledande qubits, direkta ättlingar till experimenten i makroskopiska kvantkretsar som initierades av Devoret och andra forskare på 1980-talet. Dessa qubits kan bli intrasslade, det vill säga dela ett gemensamt kvanttillstånd, och bilda kollektiva strukturer där sannolikheter kombineras som vågor.

I detta sammanhang är en kvantalgoritm inget annat än en sekvens av logiska grindar som tillämpas på en nätverk av överlappande och sammanflätade qubitsAllt eftersom kretsen utvecklas förstärker eller tar sannolikhetsamplituderna ut varandra genom interferens. Knepet är att utforma algoritmen så att de korrekta lösningarna i slutändan förstärks och blir de mest sannolika när systemet mäts.

Konstruktiv interferens, en av nycklarna till kvantekon, uppstår när kvantvågor stämmer överens i fas och de läggs ihop istället för att ta ut varandra. Om kretsen är väl utformad gör denna effekt att algoritmens slutliga "eko" tydligt sticker ut från bakgrundsbruset och möjliggör en mycket känslig avläsning av hur informationen har spridit sig i systemet, även om den mellanliggande processen har varit mycket kaotisk.

Allt detta låter väldigt kraftfullt, men det kommer också med ett allvarligt problem: kvantsystemens bräcklighet inför brusMinimala variationer i temperatur, vibrationer, elektromagnetisk strålning eller externa störningar kan introducera fel i qubits, bryta systemets koherens och förstöra beräkningen. Därför är kvantfelkontroll och dekoherensreduktion två av branschens största utmaningar.

Hur Quantum Echoes fungerar steg för steg på Willow-chippet

Willow är den sista Googles supraledande kvantchipOch det är den hårdvara som Quantum Echoes körs på. Denna processor har redan väckt uppmärksamhet genom att genomföra benchmarktester för att sampla slumpmässiga kretsar på under fem minuter – uppgifter som en konventionell superdator inte skulle kunna utföra på tiotals miljontals år. Med Quantum Echoes intar Willow återigen scenen.

Algoritmens grundläggande schema kan förstås som en kvant "tidsåterspolnings"-upplevelse, även om Ingenting skickas till det förflutnaProcessen innebär att en sekvens av operationer tillämpas på systemet, en liten störning introduceras på en specifik qubit och sedan utförs samma sekvens i omvänd ordning med extrem precision. Om allt är korrekt inställt återgår systemet till nästan sitt ursprungliga tillstånd och släpper ut ett interferometriskt eko som innehåller en mängd information.

Mycket förenklat följer proceduren tre huvudfaser: först, en välkontrollerat initialt tillstånd i en uppsättning qubitsSedan tillåts det tillståndet att utvecklas genom en sekvens av kvantgrindar som gör det mycket komplext och kaotiskt; slutligen utförs tidsomkastningen av kretsen, en qubit ändras mitt i processen, och det observeras hur störningen påverkar det slutliga ekot.

Det fina med den här uppställningen är att ekot som mäts i slutet inte är en svag reflektion, utan en signal som förstärks av konstruktiv interferensJust av denna anledning är tekniken extremt känslig för små förändringar i systemets interna dynamik. Google har utnyttjat denna känslighet för att exponentiellt minska chipets effektiva felfrekvens och uppnått resultat under tröskeln där storskalig felkorrigering blir genomförbar.

I några av de beskrivna experimenten kunde kvantmaskinen lösa problemet på drygt två timmar, medan Frontier-superdatorn – en av de kraftfullaste i världen – skulle ha behövt cirka 3,2 år av kontinuerlig datoranvändning att exekvera motsvarande klassisk kod. Denna enorma prestandaskillnad, i kombination med det faktum att resultatet kan upprepas på Willow eller andra enheter av liknande kvalitet, är grunden för den så kallade "verifierbara kvantfördelen".

Dessutom protokollet som används av Google Det förblir inte en enkel övning i kvantöverhöghet utan tillämpningTill skillnad från tidigare experiment, som fokuserade på artificiella matematiska problem som är svåra att översätta till verkligheten, används algoritmen här för att simulera mycket specifika fysikaliska processer: strukturen och dynamiken hos verkliga molekyler studeras också med kärnmagnetisk resonans.

Verifierbar kvantfördel: varför detta genombrott är annorlunda

Fram till nu har många tillkännagivanden om "kvantöverhöghet" kritiserats eftersom Det var oklart hur man skulle verifiera resultaten oberoende inte heller vilken praktisk nytta de lösta problemen hade. Googles milstolpe 2019 bestod till exempel av att utföra en beräkning på slumpmässig kretsprovtagning som ingen superdator kunde replikera inom rimlig tid, men som inte heller hade någon användning utanför laboratoriet.

Med Quantum Echoes försöker företaget avgöra den debatten med ett experiment som från början var utformat för att vara verifierbar och upprepa tricket för alla som vill ha detAlgoritmen har implementerats med parametrar och konfigurationer som andra forskargrupper, med jämförbar kvanthårdvara, kan försöka replikera. Dessutom jämförs resultaten av kvantsimuleringen med klassiska fysikaliska mätningar som erhållits med väletablerade tekniker.

Den "kvantverifierbarhet" som Google påstår vilar på två grundpelare: för det första, det faktum att beräkningarna kan reproduceras på andra liknande kvantmaskiner; för det andra, möjligheten att jämföra algoritmens utdata med experimentella data kärnmagnetisk resonanstomografi eller klassiska simuleringar i de fall där de fortfarande är genomförbara. Denna dubbla validering ger tyngd åt påståendet att vi inte bara har att göra med ett matematiskt trick som är svårt att verifiera.

För att den här typen av demonstration ska vara möjlig måste hårdvaran kombineras höghastighetsoperationer med extremt låga felfrekvenserVarje avvikelse i tidsomvändningssekvensen förstör det slutliga ekot. Att Willow lyckades övervinna denna utmaning utan att kollapsa antyder att kontrollen över supraledande qubits har nått en anmärkningsvärd nivå, betydligt mer mogen än för bara några år sedan.

Ändå manar flera experter till försiktighet. Forskare som Carlos Sabín, från institutionen för teoretisk fysik vid Madrids autonoma universitet, påpekar att Andra kvantfördelar har redan tillkännagivits, vilka senare har kvalificerats. Medan andra grupper har förfinat klassiska algoritmer eller hittat sätt att approximera resultaten med hjälp av konventionella datorer, håller forskarsamhället nu på att verifiera i vilken utsträckning Googles experiment markerar en tydlig gräns.

Tillämpning inom kemi: molekyler, NMR och drömmen om "kvantoskopet"

En av de mest slående aspekterna av Quantum Echoes är dess användning som ett verktyg för kemisk simulering och kvantspektroskopiI samarbete med University of California i Berkeley har Google kört algoritmen på Willow för att studera två molekyler: en med 15 atomer och en annan med 28, med hjälp av experimentella kärnmagnetisk resonansdata (NMR) som jämförelsepunkt.

MR, den spektroskopiska kusinen till medicinsk magnetisk resonanstomografi, fungerar som en molekylärmikroskop baserat på magnetiska "spinn" av atomkärnor. Genom att detektera hur dessa spinn reagerar på magnetfält och radiofrekvenssignaler kan forskare härleda atomernas relativa position och därmed molekylens struktur. Det är ett grundläggande verktyg inom kemi, biologi och materialvetenskap.

Problemet är att när molekylerna blir stora eller interaktionerna mellan spinn blir mer komplexa, Klassiska metoder för att tolka NMR-data blir extremt dyra Ur ett beräkningsperspektiv. Det är där Quantum Echoes kommer in i bilden: dess förmåga att spåra den interna kvantdynamiken i ett kaotiskt system gör att den kan modellera interaktioner mellan spinn över långa avstånd mer effektivt.

I koncepttestet som utfördes med Berkeley, resultaten som erhölls med kvantalgoritmen De överensstämde med de traditionella MR-mätningarna. för båda molekylerna, vilket representerade den första starka valideringen av metoden. Men dessutom avslöjade kvantanalysen ytterligare detaljer om spinndynamiken som normalt inte kan erhållas med klassiska tekniker, vilket pekar på större känslighet.

Forskare som Ashok Ajoy, en samarbetspartner med Google Quantum AI och professor vid Berkeley, talar redan om en framtid "Kvantspektroskopi" kapabel att gå bortom nuvarande gränserI det här scenariot skulle kombinationen av experimentell NMR med kvantalgoritmer som Quantum Echoes kunna bli ett toppmodernt verktyg för att upptäcka nya läkemedel, bättre förstå komplexa sjukdomar som Alzheimers sjukdom, eller designa avancerade material för batterier, polymerer eller till och med supraledande qubits.

Potentiell påverkan på medicin, materialvetenskap och andra industrier

Om Googles löften infrias kan Quantum Echoes vara det första seriösa steget mot kvantdatorer med konkreta tillämpningar i verklighetenFörmågan att noggrant modellera mångkroppsliga kvantsystem har direkta implikationer inom områden som beräkningskemi, där simulering av komplexa elektroniska interaktioner är ett nästan oöverkomligt problem för klassisk databehandling.

Inom det biomedicinska området innebär detta möjligheten att att utforska läkemedelskandidatmolekylernas utrymme mycket mer effektivtIstället för att blint testa tusentals föreningar skulle en kvantdator kunna hjälpa till att förutsäga vilka strukturer som bäst passar ett specifikt biologiskt mål, vilket påskyndar utvecklingen av behandlingar för neurodegenerativa sjukdomar, cancer eller andra komplexa sjukdomar.

Inom materialvetenskap gäller samma logik för utforma nya föreningar med specifika egenskaperStabilare supraledare, batterimaterial med högre energitäthet, avancerade polymerer eller lättare och starkare legeringar. Kontroll över kvantdynamik på mikroskopisk nivå gör skillnaden mellan att testa slumpmässiga kombinationer och finjustera resultaten med en tillförlitlig simulering.

Till allt detta kommer den potentiella påverkan på områden som cybersäkerhet. Även om Quantum Echoes i sig inte syftar till att bryta kryptering, är det en del av samma våg av framsteg som för kvantmaskiner närmare att vara användbaraSäkerhetsgemenskapen talar redan om strategin "skörda nu, dekryptera senare": att stjäla data idag för att dekryptera den när det finns kvantdatorer som kan bryta nuvarande kryptografiska algoritmer, vilket har lett till att organisationer som Europeiska unionen och ENISA har planerat övergången till postkvantsystem.

På en geopolitisk nivå passar Googles drag in i en Hård konkurrens med jättar som IBM, Microsoft och flera kinesiska aktörerPlattformar som Wukong i Kina, eller IBMs utveckling inom supraledande qubitar och långlivade logiska qubitar, visar att ingen vill bli lämnad utanför. Den verifierbara kvantfördelen som Google påstår sig vara, förutom ett vetenskapligt framsteg, ett strategiskt budskap om dess position i denna kapplöpning.

Nuvarande begränsningar och skepticism inom forskarsamhället

Det är inte bara fyrverkerier. Även om Quantum Echoes-experimentet representerar ett språng framåt från tidigare milstolpar, betonar flera experter att Vi är fortfarande helt klart i en experimentell fas.Hittills har demonstrationerna utförts med relativt små molekyler och med kvantkretsar som, även om de är imponerande, fortfarande är långt ifrån vad som skulle behövas för att ta itu med storskaliga industriella problem.

Enligt uppskattningar som Google själva har samlat in, för att nå molekyler som kräver i storleksordningen 50 fysiska qubits av relevant komplexitetDetta skulle kräva att man kör mellan hundratusentals och flera miljoner kvantlogiska grindar. Det antalet är långt över de 792 grindar som används i nuvarande experiment, och felreduceringstekniker som fungerar i detta system kanske inte skalar bra till mycket djupare kretsar.

En av de återkommande kritikerna är att, även om demonstrationen visar en verklig kvantfördel, En praktisk användning med stor effekt har ännu inte bevisatsMed andra ord har algoritmen tjänat till att validera metoder och studera system som kan hanteras med förbättrade klassiska tekniker, men den har ännu inte löst ett problem som var helt ouppnåeligt för klassisk databehandling i ett specifikt industriellt eller medicinskt sammanhang.

Dessutom är frågan om felkorrigering fortfarande ett hinder. Att driva storskaliga kvantdatorer kräver Robusta logiska qubitar byggda från många fysiska qubitarså att enskilda fel kan upptäckas och korrigeras utan att information förloras. Google har identifierat detta mål som milstolpe 3 i sin kvantmekanikfärdplan: att uppnå en långlivad logisk qubit som kan klara kraven från att köra komplexa algoritmer utan att krascha.

Trots dessa reservationer erkänner även de mest försiktiga rösterna att Kvanteko kan vara ett viktigt preliminärt steg i riktning mot att demonstrera praktisk användbarhet. Nyckeln blir att se om andra laboratorier kan reproducera experimentet, förbättra konkurrerande klassiska algoritmer och framför allt skala upp dessa tekniker till system med fler qubits och fler grindar utan att felen skjuter i höjden.

Sett i det stora hela ser Quantum Echoes ut att bli en ett tydligt tecken på att kvanthårdvara och -mjukvara utvecklas parallelltWillow visar att det är möjligt att arbeta med tillräckligt låga felfrekvenser för att möjliggöra känsliga tidsomkastningsprotokoll, medan algoritmen öppnar dörren för tillämpningar som direkt adresserar verkliga fysikaliska problem. Det är fortfarande en lång väg kvar, men de första ekona av tillämpad kvantberäkning börjar höras tydligt.

Relaterad artikel:

Google AI Overviews kommer till Spanien: vad det är och hur det ändrar sökning