Paano gumagana ang Quantum Echoes algorithm ng Google

Informatec Digital » Kayamanan » Paano gumagana ang Quantum Echoes algorithm ng Google

La Ang quantum computing ay hindi na lamang teorya upang simulan ang pagpasok ng sarili sa mga pag-uusap tungkol sa medisina, mga advanced na materyales, o cybersecurity. Ilang taon nang sinusubukan ng Google na ipakita iyon kanilang mga quantum computer Ang mga ito ay hindi lamang mga prototype na kapansin-pansin, ngunit mga tool na may mga real-world na application. Gamit ang Quantum Echoes algorithm at ang Willow chip nito, inaangkin ng kumpanya na nakamit ang isa sa mga milestone na maaaring magbago sa bilis ng teknolohikal na karera na ito.

Ang bagong algorithm na ito, a out-of-order correlator Dinisenyo upang pag-aralan kung paano kumakalat ang impormasyon ng quantum sa mga kumplikadong sistema, hindi lang ito napakabilis: ayon sa na-publish na data, ito ay tumatakbo nang humigit-kumulang 13.000 beses na mas mabilis kaysa sa pinakamahusay na mga klasikal na supercomputer para sa isang katumbas na gawain. Ngunit ang pinaka-interesante ay isa itong nabe-verify na algorithm, ibig sabihin, ang mga resulta nito ay maaaring ulitin at suriin sa iba pang katulad na mga quantum device—isang mahalagang salik kung gusto nating lumipat ang teknolohiyang ito sa kabila ng laboratoryo.

Ano nga ba ang Quantum Echoes at bakit ito pinag-uusapan ng lahat?

Ang Quantum Echoes ay isang OTOC-type na quantum algorithm (Out-of-Time-Order Correlator). Ang pangunahing tungkulin nito ay upang sukatin kung paano nagbabago ang estado ng isang qubit pagkatapos ipasailalim ang isang quantum system sa isang serye ng mga operasyon at pagkatapos ay "i-rewind" ang ebolusyon nito. Sa pagsasagawa, ito ay gumaganap bilang isang thermometer ng quantum chaos: sinusuri nito kung paano nakakalat ang impormasyon sa loob ng isang set ng mga qubit sa pamamagitan ng pagsukat ng mga dami tulad ng magnetization, density, currents, at velocity.

Ang iminungkahi ng Google ay gamitin ang algorithm na ito bilang isang uri ng maingat na idinisenyong quantum echoUna, ang Willow chip ay tumatanggap ng isang kumplikadong quantum signal na nagiging sanhi ng pag-evolve ng system. Pagkatapos, ang isang maliit na perturbation ay ipinakilala sa isang tiyak na qubit, at pagkatapos, ang reverse sequence ng mga operasyon ay isinasagawa upang subukang i-undo ang proseso. Sa pagtatapos ng buong prosesong ito, ibinabalik ng system ang isang quantum "echo" ng paunang estado, na, salamat sa nakabubuo na interference, ay pinalaki at nagpapakita ng lubos na tumpak na impormasyon tungkol sa kung ano ang nangyari sa daan.

Mula sa teoretikal na pananaw, ang mga ganitong uri ng out-of-order correlator ay ginagamit sa pag-aaral kung paano naghahalo at kumakalat ang impormasyon sa napakakomplikadong sistemagaya ng mga modelong naglalarawan ng mga black hole o kakaibang quantum material. Ano ang bago dito ay na, sa unang pagkakataon, sila ay kinuha mula sa teorya sa laboratoryo na may isang eksperimento na maaaring paulit-ulit at ma-verify, at kung saan ay tumuturo din sa napaka-espesipikong pisikal na mga aplikasyon.

Iniharap ng Google ang mga resultang ito sa dalawang pantulong na papel: ang isa ay nai-publish sa KalikasanNakatuon ang isang papel sa pagpapakita ng algorithm at sa nabe-verify na quantum advantage nito, habang ang isa pa, na nai-post sa arXiv repository, ay mas nakatuon sa mga potensyal na aplikasyon sa chemistry at spectroscopy. Kabilang sa mga lumagda sa artikulo ng Kalikasan ay si Michel Devoret, nagwagi ng 2025 Nobel Prize sa Physics at isang pangunahing pigura sa pagbuo ng mga superconducting qubits.

Ayon sa mga inhinyero ng kumpanya, Gumagana ang Quantum Echoes nang 13.000 beses na mas mabilis sa Willow chip na ang pinakamahusay katumbas na klasikal na algorithm isinagawa sa pinakamakapangyarihang supercomputer sa mundo. Sa praktikal na mga termino, kung ano ang aabutin ng isang klasikal na makina ng libu-libo o trilyong taon upang malutas, nagagawa ni Willow sa ilang minuto, na tumatawid sa threshold ng kung ano ang itinuturing na isang ganap na kalamangan sa kabuuan.

Mga pangunahing kaalaman ng quantum computing upang maunawaan ang algorithm

Upang makakuha ng isang malinaw na ideya kung paano gumagana ang Quantum Echoes, ito ay nagkakahalaga ng pag-alala Ang isang quantum computer ay hindi gumagana sa mga classical bit.ngunit may mga qubit. Habang ang kaunti ay maaari lamang maging 0 o 1, ang isang qubit ay maaaring nasa isang superposisyon ng parehong mga estado sa parehong oras. Pinapayagan nito ang isang hanay ng mga qubit na sabay-sabay na kumakatawan sa isang malaking bilang ng mga kumbinasyon ng mga zero at isa.

Ang mga Qubit ay ipinatupad sa pamamagitan ng pagmamanipula ng mga pisikal na sistema tulad ng photon, electron, trapped ions, atoms, o superconducting circuitsAng Google, tulad ng ibang mga kumpanya, ay namumuhunan sa mga superconducting qubits, mga direktang inapo ng mga eksperimento sa macroscopic quantum circuit na pinasimulan ng Devoret at iba pang mga mananaliksik noong 1980s. Ang mga qubit na ito ay maaaring magkasalikop, iyon ay, magbahagi ng isang karaniwang estado ng kabuuan, at bumuo ng mga kolektibong istruktura kung saan ang mga probabilidad ay nagsasama-sama tulad ng mga alon.

Sa kontekstong ito, ang isang quantum algorithm ay hindi hihigit sa a pagkakasunud-sunod ng mga gate ng lohika na inilalapat sa a network ng overlapping at intertwined qubitsHabang umuunlad ang circuit, ang mga probability amplitudes ay nagpapatibay o nagkansela sa isa't isa sa pamamagitan ng interference. Ang lansihin ay upang idisenyo ang algorithm upang, sa huli, ang mga tamang solusyon ay pinalaki at maging ang pinaka-malamang kapag sinusukat ang system.

Ang constructive interference, isa sa mga susi sa Quantum Echoes, ay nangyayari kapag ang mga quantum wave ay nakahanay sa yugto at nagdaragdag sila sa halip na kanselahin ang isa't isa. Kung ang circuit ay mahusay na idinisenyo, ang epektong ito ay ginagawang ang pangwakas na "echo" ng algorithm ay malinaw na namumukod-tangi mula sa ingay sa background at nagbibigay-daan para sa isang napakasensitibong pagbabasa kung paano lumaganap ang impormasyon sa system, kahit na ang intermediate na proseso ay napakagulo.

Ang lahat ng ito ay napakalakas, ngunit mayroon din itong malubhang problema: ang hina ng quantum system sa harap ng ingayAng pinakamaliit na pagkakaiba-iba sa temperatura, vibrations, electromagnetic radiation, o external interference ay maaaring magpasok ng mga error sa mga qubit, masira ang pagkakaugnay ng system, at masira ang kalkulasyon. Samakatuwid, ang quantum error control at decoherence reduction ay dalawa sa mga pangunahing hamon ng industriya.

Paano gumagana ang Quantum Echoes nang hakbang-hakbang sa Willow chip

Ang Willow ang huli Ang superconducting quantum chip ng GoogleAt ito ang piraso ng hardware kung saan tumatakbo ang Quantum Echoes. Ang processor na ito ay nakakuha na ng pansin sa pamamagitan ng pagkumpleto ng mga benchmark na pagsubok para sa pag-sample ng mga random na circuit sa loob ng wala pang limang minuto—mga gawain na hindi kayang gawin ng isang conventional supercomputer sa sampu-sampung septillions ng mga taon. Sa Quantum Echoes, si Willow ay muling nasa gitna ng entablado.

Ang pangunahing pamamaraan ng algorithm ay maaaring maunawaan bilang isang quantum "time rewinding" na karanasan, bagaman Walang ipinadala sa nakaraanAng proseso ay nagsasangkot ng paglalapat ng isang pagkakasunud-sunod ng mga operasyon sa system, pagpapakilala ng isang maliit na perturbation sa isang partikular na qubit, at pagkatapos ay isagawa ang parehong pagkakasunud-sunod sa kabaligtaran na may matinding katumpakan. Kung maayos na nakatutok ang lahat, babalik ang system malapit sa orihinal nitong estado at maglalabas ng interferometric echo na naglalaman ng maraming impormasyon.

Sa napakasimpleng paraan, ang pamamaraan ay sumusunod sa tatlong pangunahing yugto: una, a mahusay na kinokontrol na paunang estado sa isang hanay ng mga qubitPagkatapos, ang estadong iyon ay pinahihintulutan na mag-evolve sa pamamagitan ng pagkakasunod-sunod ng mga quantum gate na ginagawa itong lubhang kumplikado at magulo; sa wakas, ang pagbabalik ng oras ng circuit ay naisakatuparan, ang isang qubit ay binago sa gitna ng proseso, at naobserbahan kung paano naaapektuhan ng perturbation na iyon ang huling echo.

Ang kagandahan ng setup na ito ay ang echo na sinusukat sa dulo ay hindi isang mahinang pagmuni-muni, ngunit isang signal na pinalakas ng nakabubuo na panghihimasokTiyak na para sa kadahilanang ito, ang pamamaraan ay lubhang sensitibo sa maliliit na pagbabago sa panloob na dinamika ng system. Ginamit ng Google ang sensitivity na ito upang mabilis na bawasan ang epektibong rate ng error ng chip, na makamit ang mga resulta sa ibaba ng threshold kung saan nagiging mabubuhay ang malakihang pagwawasto ng error.

Sa ilan sa mga eksperimento na inilarawan, nagawang lutasin ng quantum machine ang problema sa loob lamang ng dalawang oras, habang ang Frontier supercomputer—isa sa pinakamakapangyarihan sa mundo—ay kakailanganin humigit-kumulang 3,2 taon ng tuluy-tuloy na pag-compute para magsagawa ng katumbas na classical code. Ang malaking agwat sa pagganap na ito, kasama ang katotohanan na ang resulta ay maaaring maulit sa Willow o iba pang mga aparato na may katulad na kalidad, ay ang batayan ng tinatawag na "napapatunayan na kalamangan sa kabuuan".

Higit pa rito, ang protocol na ginagamit ng Google Hindi ito nananatiling isang simpleng ehersisyo sa quantum supremacy nang walang aplikasyonHindi tulad ng mga nakaraang eksperimento, na nakatutok sa mga artipisyal na problema sa matematika na mahirap isalin sa totoong mundo, dito ginagamit ang algorithm upang gayahin ang napakaspesipikong pisikal na proseso: ang istraktura at dinamika ng mga tunay na molekula ay pinag-aralan din gamit ang nuclear magnetic resonance.

Napapatunayang quantum advantage: bakit naiiba ang tagumpay na ito

Hanggang ngayon, maraming anunsyo ng "quantum supremacy" ang nakatanggap ng batikos dahil Hindi malinaw kung paano independiyenteng i-verify ang mga resulta o kung anong praktikal na gamit ang nalutas ng mga problema. Ang 2019 milestone ng Google, halimbawa, ay binubuo ng pagsasagawa ng kalkulasyon sa random na circuit sampling na walang supercomputer na maaaring kopyahin sa isang makatwirang oras, ngunit wala ring gamit sa labas ng laboratoryo.

Sa Quantum Echoes, sinusubukan ng kumpanya na ayusin ang debateng iyon gamit ang isang eksperimento na idinisenyo mula sa simula mabe-verify at ulitin ang trick sa sinumang gusto nitoAng algorithm ay ipinatupad na may mga parameter at configuration na maaaring subukan ng ibang mga pangkat ng pananaliksik, na may maihahambing na quantum hardware, na gayahin. Higit pa rito, ang mga resulta ng quantum simulation ay inihahambing sa mga klasikal na pisikal na sukat na nakuha gamit ang mahusay na itinatag na mga diskarte.

Ang "quantum verifiability" na inaangkin ng Google ay nakasalalay sa dalawang haligi: una, ang katotohanan na ang mga kalkulasyon ay maaaring kopyahin sa iba pang katulad na quantum machine; pangalawa, ang posibilidad ng ihambing ang output ng algorithm sa pang-eksperimentong data nuclear magnetic resonance imaging o classical simulation sa mga kaso kung saan posible pa rin ang mga ito. Ang dobleng pagpapatunay na ito ay nagbibigay ng bigat sa assertion na hindi lang tayo nakikipag-usap sa isang mathematical trick na mahirap i-verify.

Para maging posible ang ganitong uri ng demonstrasyon, kailangang pagsamahin ang hardware mga high-speed na operasyon na may napakababang rate ng errorAng anumang paglihis sa pagkakasunod-sunod ng pagbaligtad ng oras ay sumisira sa panghuling echo. Ang katotohanan na nalampasan ni Willow ang hamon na ito nang hindi nababagsak ay nagpapahiwatig na ang kontrol sa mga superconducting qubits ay umabot na sa isang kahanga-hangang antas, na mas mature kaysa ilang taon lamang ang nakalipas.

Gayunpaman, maraming mga eksperto ang humihimok ng pag-iingat. Itinuro ng mga mananaliksik tulad ni Carlos Sabín, mula sa Departamento ng Theoretical Physics sa Autonomous University of Madrid, na Ang iba pang mga bentahe sa kabuuan ay inihayag na, na pagkatapos ay naging kwalipikado. Bagama't ang ibang mga grupo ay nagpino ng mga klasikong algorithm o nakahanap ng mga paraan upang tantiyahin ang mga resulta gamit ang mga kumbensyonal na computer, ang komunidad ng siyentipiko ay nasa proseso na ngayon ng pag-verify kung hanggang saan ang eksperimento ng Google ay nagmamarka ng isang matatag na hangganan.

Application sa kimika: mga molekula, NMR at ang pangarap ng "quantoscope"

Isa sa mga pinaka-kapansin-pansing aspeto ng Quantum Echoes ay ang paggamit nito bilang tool para sa chemical simulation at quantum spectroscopySa pakikipagtulungan sa Unibersidad ng California sa Berkeley, pinatakbo ng Google ang algorithm sa Willow upang pag-aralan ang dalawang molekula: ang isa ay may 15 atomo at isa pa ay may 28, gamit ang data ng eksperimentong nuclear magnetic resonance (NMR) bilang punto ng paghahambing.

Ang MRI, ang spectroscopic cousin ng medical magnetic resonance imaging, ay gumaganap bilang a molecular microscope batay sa magnetic "spins" ng atomic nuclei. Sa pamamagitan ng pag-detect kung paano tumutugon ang mga spin na ito sa mga magnetic field at radio frequency signal, mahuhulaan ng mga siyentipiko ang relatibong posisyon ng mga atomo at, dahil dito, ang istraktura ng molekula. Ito ay isang pangunahing kasangkapan sa kimika, biology, at agham ng mga materyales.

Ang problema ay, kapag ang mga molekula ay naging malaki o ang mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga spin ay nagiging mas kumplikado, ang Ang mga klasikal na pamamaraan para sa pagbibigay-kahulugan sa data ng NMR ay nagiging lubhang mahal Mula sa isang computational point of view. Doon papasok ang Quantum Echoes: ang kakayahan nitong subaybayan ang panloob na quantum dynamics ng isang magulong sistema ay nagbibigay-daan dito na mas mahusay na magmodelo ng mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga spin sa malalayong distansya.

Sa patunay ng konsepto na isinagawa sa Berkeley, ang mga resulta ay nakuha gamit ang quantum algorithm Nag-coincided sila sa tradisyonal na mga sukat ng MRI. para sa parehong mga molekula, na kumakatawan sa unang malakas na pagpapatunay ng diskarte. Ngunit bilang karagdagan, ang pagsusuri ng quantum ay nagsiwalat ng karagdagang mga detalye tungkol sa mga dinamika ng pag-ikot na hindi karaniwang makukuha gamit ang mga klasikal na pamamaraan, na tumuturo sa higit na pagiging sensitibo.

Ang mga mananaliksik tulad ni Ashok Ajoy, isang collaborator sa Google Quantum AI at isang propesor sa Berkeley, ay nagsasalita na tungkol sa isang hinaharap "Quantum spectroscopy" na may kakayahang lumampas sa kasalukuyang mga limitasyonSa sitwasyong ito, ang kumbinasyon ng pang-eksperimentong NMR na may mga quantum algorithm tulad ng Quantum Echoes ay maaaring maging isang top-tier na tool para sa pagtuklas ng mga bagong gamot, mas mahusay na pag-unawa sa mga kumplikadong sakit tulad ng Alzheimer's, o pagdidisenyo ng mga advanced na materyales para sa mga baterya, polymer, o kahit na mga superconducting qubit mismo.

Potensyal na epekto sa medisina, agham ng materyales, at iba pang industriya

Kung matutupad ang mga pangako ng Google, maaaring ang Quantum Echoes ang unang seryosong hakbang patungo mga quantum computer na may nasasalat na real-world applicationAng kakayahang tumpak na mag-modelo ng maraming-katawan na mga sistema ng quantum ay may direktang implikasyon sa mga larangan tulad ng computational chemistry, kung saan ang pagtulad sa mga kumplikadong elektronikong pakikipag-ugnayan ay halos nagbabawal na problema para sa klasikal na pag-compute.

Sa larangan ng biomedical, isinasalin ito sa posibilidad ng upang galugarin ang espasyo ng mga molekula ng kandidato ng gamot nang mas mahusaySa halip na bulag na subukan ang libu-libong compound, makakatulong ang isang quantum computer na hulaan kung aling mga istruktura ang pinakaangkop sa isang partikular na biological na target, na nagpapabilis sa pagbuo ng mga paggamot para sa mga sakit na neurodegenerative, cancer, o iba pang kumplikadong sakit.

Sa agham ng mga materyales, ang parehong lohika ay nalalapat sa magdisenyo ng mga bagong compound na may mga partikular na katangianMas matatag na superconductor, mga materyales ng baterya na may mas mataas na density ng enerhiya, mga advanced na polymer, o mas magaan at mas matibay na mga haluang metal. Ang kontrol sa quantum dynamics sa mikroskopikong antas ay gumagawa ng pagkakaiba sa pagitan ng pagsubok ng mga random na kumbinasyon at pag-fine-tune ng mga resulta gamit ang isang maaasahang simulation.

Idinagdag sa lahat ng ito ay ang potensyal na epekto sa mga lugar tulad ng cybersecurity. Kahit na ang Quantum Echoes mismo ay hindi naglalayong sirain ang encryption, ito ay bahagi ng ang parehong alon ng pag-unlad na nagdadala ng mga quantum machine na mas malapit sa pagiging kapaki-pakinabangPinag-uusapan na ng komunidad ng seguridad ang tungkol sa diskarteng "ani na, i-decrypt mamaya": pagnanakaw ng data ngayon para i-decrypt ito kapag may mga quantum computer na may kakayahang sirain ang mga kasalukuyang cryptographic algorithm, na humantong sa mga organisasyon gaya ng European Union at ENISA na planuhin ang paglipat sa mga post-quantum system.

Sa isang geopolitical na antas, ang paglipat ng Google ay umaangkop sa a Matinding kumpetisyon sa mga higante tulad ng IBM, Microsoft at ilang Chinese na manlalaroAng mga platform tulad ng Wukong sa China, o ang mga pag-unlad ng IBM sa superconducting qubits at long-lived logic qubits, ay nagpapakita na walang gustong maiwan. Ang nabe-verify na quantum advantage na inaangkin ng Google ay, bilang karagdagan sa isang siyentipikong pagsulong, isang madiskarteng mensahe tungkol sa posisyon nito sa karerang ito.

Kasalukuyang mga limitasyon at pag-aalinlangan sa loob ng siyentipikong komunidad

Hindi lahat ng fireworks. Bagama't ang eksperimento ng Quantum Echoes ay kumakatawan sa isang hakbang pasulong mula sa mga nakaraang milestone, binibigyang-diin ng ilang eksperto na Kami ay malinaw pa rin sa isang eksperimentong yugto.Sa ngayon, ang mga demonstrasyon ay isinagawa gamit ang medyo maliliit na molekula at may mga quantum circuit na, bagama't kahanga-hanga, ay malayo pa rin sa kung ano ang kakailanganin upang matugunan ang mga malalaking problema sa industriya.

Ayon sa mga pagtatantya na nakalap ng Google mismo, upang maabot ang mga molekula na nangangailangan sa pagkakasunud-sunod ng 50 pisikal na qubit ng nauugnay na pagiging kumplikadoMangangailangan ito ng pagtakbo sa pagitan ng daan-daang libo at ilang milyong quantum logic gate. Ang bilang na iyon ay mas mataas sa 792 na mga gate na ginagamit sa kasalukuyang mga eksperimento, at ang mga diskarte sa pagpapagaan ng error na gumagana sa rehimeng ito ay maaaring hindi maitaas nang mabuti sa mas malalim na mga circuit.

Ang isa sa mga paulit-ulit na pagpuna ay, kahit na ang demonstrasyon ay nagpapakita ng isang tunay na kalamangan sa kabuuan, Ang isang praktikal na paggamit na may mataas na epekto ay hindi pa napatunayanSa madaling salita, ang algorithm ay nagsilbi upang patunayan ang mga pamamaraan at pag-aralan ang mga system na maaaring pangasiwaan gamit ang pinahusay na mga klasikal na diskarte, ngunit hindi pa nito nalulutas ang isang problema na ganap na hindi maabot para sa klasikal na pag-compute sa isang partikular na pang-industriya o medikal na konteksto.

Higit pa rito, ang isyu ng pagwawasto ng error ay nananatiling isang hadlang. Ang pagpapatakbo ng malakihang quantum computer ay nangangailangan Matatag na lohikal na qubit na binuo mula sa maraming pisikal na qubitupang ang mga indibidwal na pagkakamali ay matukoy at maitama nang hindi nawawala ang impormasyon. Tinukoy ng Google ang layuning ito bilang milestone 3 ng quantum roadmap nito: ang pagkamit ng isang mahabang buhay na logic qubit na makatiis sa mga hinihingi ng pagpapatakbo ng mga kumplikadong algorithm nang walang pag-crash.

Sa kabila ng mga pagpapareserbang ito, kahit na ang pinakamaingat na boses ay kinikilala iyon Ang Quantum Echoes ay maaaring isang mahalagang paunang hakbang sa direksyon ng pagpapakita ng praktikal na utility. Ang susi ay upang makita kung ang ibang mga laboratoryo ay maaaring kopyahin ang eksperimento, pagbutihin ang nakikipagkumpitensyang mga klasikal na algorithm, at, higit sa lahat, i-scale ang mga diskarteng ito sa mga system na may mas maraming qubit at mas maraming gate nang walang mga error na tumataas.

Sa pagtingin sa malaking larawan, ang Quantum Echoes ay humuhubog upang maging isang isang malinaw na senyales na ang quantum hardware at software ay sumusulong nang magkatuladIpinakita ni Willow na posibleng gumana nang may sapat na mababang mga rate ng error upang bigyang-daan ang mga maselang protocol ng pagbabalik ng oras, habang ang algorithm ay nagbubukas ng pinto sa mga application na direktang tumutugon sa mga pisikal na problema sa totoong mundo. Mayroon pa ring mahabang daan sa hinaharap, ngunit ang mga unang dayandang ng inilapat na quantum computing ay nagsisimula nang marinig nang malakas.

Kaugnay na artikulo:

Dumating ang Mga Pangkalahatang-ideya ng Google AI sa Spain: kung ano ito at kung paano nito binabago ang paghahanap