Google'ın Quantum Echoes algoritması nasıl çalışır?

Informatec Dijital » Ücretsiz Destekler » Google'ın Quantum Echoes algoritması nasıl çalışır?

La kuantum hesaplama artık sadece bir teori değil Tıp, gelişmiş malzemeler veya siber güvenlik hakkındaki konuşmalara dahil olmaya başlamak için Google yıllardır bunu göstermeye çalışıyor kuantum bilgisayarları Bunlar sadece göz alıcı prototipler değil, aynı zamanda gerçek dünya uygulamalarına sahip araçlar. Quantum Echoes algoritması ve Willow çipiyle şirket, bu teknolojik yarışın hızını değiştirebilecek dönüm noktalarından birine ulaştığını iddia ediyor.

Bu yeni algoritma, sıra dışı korelatör Kuantum bilgisinin karmaşık sistemlerde nasıl yayıldığını incelemek üzere tasarlanan bu algoritma, inanılmaz derecede hızlı olmasının yanı sıra, yayınlanmış verilere göre, eşdeğer bir görev için en iyi klasik süper bilgisayarlardan yaklaşık 13.000 kat daha hızlı çalışıyor. Ancak en ilginç yanı, doğrulanabilir bir algoritma olması; yani sonuçlarının benzer kuantum cihazlarında tekrarlanıp kontrol edilebilmesi; bu da, bu teknolojinin laboratuvarın ötesine geçmesini istiyorsak kilit bir faktör.

Quantum Echoes tam olarak nedir ve neden herkes bundan bahsediyor?

Kuantum Yankıları bir OTOC tipi kuantum algoritması (Zaman Sırası Dışı Korelatör). Temel işlevi, bir kuantum sistemi bir dizi işleme tabi tutulduktan ve ardından evrimi "geri sarıldıktan" sonra bir kübitin durumunun nasıl değiştiğini ölçmektir. Pratikte, kuantum kaosunun bir termometresi görevi görür: mıknatıslanma, yoğunluk, akımlar ve hız gibi nicelikleri ölçerek bilginin bir kübit kümesi içinde nasıl dağıldığını analiz eder.

Google'ın önerisi bu algoritmayı bir tür dikkatlice tasarlanmış kuantum yankısıİlk olarak, Willow çipi sistemin evrimleşmesine neden olan karmaşık bir kuantum sinyali alır. Ardından, belirli bir kübite küçük bir bozulma uygulanır ve ardından işlemi geri almak için ters işlem sırası yürütülür. Tüm bu sürecin sonunda, sistem başlangıç ​​durumunun bir kuantum "yankısını" döndürür ve bu, yapıcı girişim sayesinde güçlendirilerek süreç boyunca neler olup bittiği hakkında son derece hassas bilgiler ortaya çıkarır.

Teorik bir bakış açısından, bu tür sıra dışı korelatörler, incelemek için kullanılır bilginin son derece karmaşık sistemlerde nasıl karıştığı ve yayıldığıKara delikleri veya egzotik kuantum malzemelerini tanımlayan modeller gibi. Buradaki yenilik, bunların ilk kez teoriden laboratuvara, tekrarlanabilir ve doğrulanabilir bir deneyle aktarılmış olması ve aynı zamanda çok özel fiziksel uygulamalara işaret ediyor olmasıdır.

Google bu sonuçları iki tamamlayıcı makalede sundu: biri şu şekilde yayınlandı: TabiatBir makale algoritmayı ve doğrulanabilir kuantum avantajını göstermeye odaklanırken, arXiv veri havuzunda yayınlanan bir diğeri kimya ve spektroskopideki potansiyel uygulamalara daha fazla odaklanıyor. Nature makalesinin imzacıları arasında, 2025 Nobel Fizik Ödülü sahibi ve süperiletken kübitlerin geliştirilmesinde kilit isimlerden biri olan Michel Devoret de yer alıyor.

Şirket mühendislerine göre; Quantum Echoes 13.000 kat daha hızlı çalışıyor Willow çipinde en iyisi eşdeğer klasik algoritma Dünyanın en güçlü süper bilgisayarlarında gerçekleştirilen bu işlem, pratikte klasik bir makinenin binlerce hatta trilyonlarca yılda çözeceği bir işlemi, Willow birkaç dakikada gerçekleştirerek, tam teşekküllü bir kuantum avantajı olarak kabul edilen eşiği aşıyor.

Algoritmayı anlamak için kuantum hesaplamanın temelleri

Quantum Echoes'un nasıl çalıştığına dair net bir fikir edinmek için şunu hatırlamakta fayda var: Kuantum bilgisayarı klasik bitlerle çalışmaz.Ancak kübitlerle. Bir bit yalnızca 0 veya 1 olabilirken, bir kübit aynı anda her iki durumun da süperpozisyonunda olabilir. Bu, bir kübit kümesinin aynı anda çok sayıda sıfır ve bir kombinasyonunu temsil etmesini sağlar.

Kübitler, aşağıdaki gibi fiziksel sistemlerin manipüle edilmesiyle uygulanır: fotonlar, elektronlar, sıkışmış iyonlar, atomlar veya süperiletken devrelerGoogle, diğer şirketler gibi, Devoret ve diğer araştırmacılar tarafından 1980'lerde başlatılan makroskobik kuantum devreleri deneylerinin doğrudan devamı olan süperiletken kübitlere yatırım yapıyor. Bu kübitler dolanık hale gelebiliyor, yani ortak bir kuantum durumunu paylaşabiliyor ve olasılıkların dalgalar gibi birleştiği kolektif yapılar oluşturabiliyor.

Bu bağlamda, bir kuantum algoritması bir algoritmadan başka bir şey değildir. mantık kapıları dizisi birine uygulanan örtüşen ve iç içe geçmiş kübitlerden oluşan ağDevre geliştikçe, olasılık genlikleri girişim yoluyla birbirini güçlendirir veya yok eder. İşin püf noktası, algoritmayı, sonunda doğru çözümlerin güçlendirilerek sistem ölçülürken en olası çözümler haline gelmesini sağlayacak şekilde tasarlamaktır.

Kuantum Yankılarının anahtarlarından biri olan yapıcı girişim, şu durumlarda meydana gelir: kuantum dalgaları fazda hizalanır ve birbirlerini iptal etmek yerine bir araya gelirler. Devre iyi tasarlanmışsa, bu etki algoritmanın son "yankısını" arka plan gürültüsünden belirgin bir şekilde ayırır ve ara süreç çok kaotik olsa bile, bilginin sistemde nasıl yayıldığının çok hassas bir şekilde okunmasını sağlar.

Bütün bunlar kulağa çok güçlü geliyor, ancak aynı zamanda ciddi bir sorunu da beraberinde getiriyor: gürültü karşısında kuantum sistemlerinin kırılganlığıSıcaklık, titreşim, elektromanyetik radyasyon veya dış müdahalelerdeki en ufak değişimler bile kübitlerde hatalara yol açabilir, sistemin tutarlılığını bozabilir ve hesaplamayı aksatabilir. Bu nedenle, kuantum hata kontrolü ve uyumsuzluk azaltma, sektörün karşılaştığı en büyük zorluklardan ikisidir.

Quantum Echoes, Willow çipinde adım adım nasıl çalışır?

Söğüt sonuncusu Google'ın süperiletken kuantum çipiVe Quantum Echoes'un üzerinde çalıştığı donanım parçası da bu. Bu işlemci, rastgele devreleri örneklemek için beş dakikadan kısa sürede kıyaslama testlerini tamamlayarak dikkatleri üzerine çekmişti; bu, geleneksel bir süper bilgisayarın onlarca septilyon yılda başaramayacağı bir görev. Quantum Echoes ile Willow bir kez daha sahnenin merkezinde.

Algoritmanın temel şeması, kuantum "zamanı geri sarma" deneyimi olarak anlaşılabilir, ancak Hiçbir şey geçmişe gönderilmezSüreç, sisteme bir dizi işlem uygulanmasını, belirli bir kübite küçük bir bozulma verilmesini ve ardından aynı dizinin son derece hassas bir şekilde ters yönde yürütülmesini içerir. Her şey doğru şekilde ayarlanırsa, sistem orijinal durumuna yakın bir değere döner ve zengin bir bilgi içeren interferometrik bir yankı yayar.

Çok basitleştirilmiş bir şekilde, prosedür üç ana aşamadan oluşur: ilk olarak, bir dizi kübitte iyi kontrol edilen başlangıç ​​durumuDaha sonra bu durumun, onu oldukça karmaşık ve kaotik hale getiren bir dizi kuantum kapısı aracılığıyla evrimleşmesine izin verilir; son olarak, devrenin zaman tersine çevrilmesi gerçekleştirilir, sürecin ortasında bir kübit değiştirilir ve bu bozulmanın son yankıyı nasıl etkilediği gözlemlenir.

Bu kurulumun güzelliği, sonunda ölçülen yankının zayıf bir yansıma değil, yükseltilmiş bir sinyal olmasıdır. yapıcı müdahaleTam da bu nedenle, teknik sistemin iç dinamiklerindeki küçük değişikliklere karşı son derece hassastır. Google, bu hassasiyeti kullanarak çipin etkin hata oranını katlanarak azaltmış ve büyük ölçekli hata düzeltmesinin uygulanabilir hale geldiği eşiğin altında sonuçlar elde etmiştir.

Açıklanan deneylerin bazılarında, kuantum makinesi sorunu sadece iki saatten biraz fazla bir sürede çözebildi, oysa dünyanın en güçlülerinden biri olan Frontier süper bilgisayarının bu sorunu çözmesi için iki saate ihtiyacı olacaktı. yaklaşık 3,2 yıllık sürekli hesaplama Eşdeğer klasik kodu çalıştırmak için. Bu büyük performans farkı, sonucun Willow veya benzer kalitedeki diğer cihazlarda tekrarlanabilmesi gerçeğiyle birleştiğinde, sözde "doğrulanabilir kuantum avantajı"nın temelini oluşturur.

Ayrıca Google'ın kullandığı protokol Uygulama yapılmadan kuantum üstünlüğünün basit bir uygulaması olarak kalmazGerçek dünyaya aktarılması zor olan yapay matematiksel problemlere odaklanan önceki deneylerden farklı olarak, burada algoritma çok özel fiziksel süreçleri simüle etmek için kullanılıyor: gerçek moleküllerin yapısı ve dinamikleri de nükleer manyetik rezonansla inceleniyor.

Doğrulanabilir kuantum avantajı: Bu atılım neden farklı?

Şimdiye kadar, "kuantum üstünlüğü" ile ilgili birçok duyuru eleştiriye maruz kalmıştı çünkü Sonuçların bağımsız olarak nasıl doğrulanacağı belirsizdi Örneğin, Google'ın 2019'daki dönüm noktası, hiçbir süper bilgisayarın makul bir sürede tekrarlayamayacağı, ancak laboratuvar dışında da hiçbir işe yaramayan rastgele devre örneklemesi üzerinde bir hesaplama yapmaktan ibaretti.

Şirket, Quantum Echoes ile bu tartışmayı, başından beri tasarlanmış bir deneyle çözmeye çalışıyor. doğrulanabilir ve isteyen herkese bu numarayı tekrarlayınAlgoritma, benzer kuantum donanımlarına sahip diğer araştırma gruplarının taklit etmeye çalışabileceği parametreler ve yapılandırmalarla uygulanmıştır. Ayrıca, kuantum simülasyonunun sonuçları, köklü teknikler kullanılarak elde edilen klasik fiziksel ölçümlerle karşılaştırılmıştır.

Google'ın iddia ettiği "kuantum doğrulanabilirliği" iki temele dayanmaktadır: birincisi, hesaplamaların diğer benzer kuantum makinelerinde yeniden üretilebilmesi gerçeği; ikincisi, algoritmanın çıktısını deneysel verilerle karşılaştırın Nükleer manyetik rezonans görüntüleme veya hala uygulanabilir oldukları durumlarda klasik simülasyonlar. Bu çifte doğrulama, doğrulanması zor bir matematiksel hileyle uğraşmadığımız iddiasını destekliyor.

Bu tür bir gösterinin mümkün olması için donanımın bir araya gelmesi gerekir son derece düşük hata oranlarına sahip yüksek hızlı işlemlerZaman tersine çevirme dizisindeki herhangi bir sapma, son yankıyı mahveder. Willow'un bu zorluğun üstesinden çökmeden gelebilmesi, süperiletken kübitler üzerindeki kontrolün, birkaç yıl öncesine göre çok daha olgunlaşmış, dikkate değer bir seviyeye ulaştığını gösteriyor.

Yine de, bazı uzmanlar ihtiyatlı olunması gerektiğini savunuyor. Madrid Özerk Üniversitesi Teorik Fizik Bölümü'nden Carlos Sabín gibi araştırmacılar, Daha sonra nitelendirilen başka kuantum avantajları da duyuruldu. Diğer gruplar klasik algoritmaları geliştirirken veya geleneksel bilgisayarları kullanarak sonuçlara yaklaşmanın yollarını bulurken, bilim camiası şu anda Google'ın deneyinin ne ölçüde kesin bir sınır çizdiğini doğrulama sürecinde.

Kimyada uygulama: moleküller, NMR ve “kuantoskop” hayali

Quantum Echoes'un en çarpıcı yönlerinden biri, bir araç olarak kullanılmasıdır. kimyasal simülasyon ve kuantum spektroskopisiGoogle, Kaliforniya Üniversitesi Berkeley ile iş birliği yaparak, biri 15 atomlu, diğeri 28 atomlu olmak üzere iki molekülü incelemek için algoritmayı Willow üzerinde çalıştırdı ve karşılaştırma noktası olarak deneysel nükleer manyetik rezonans (NMR) verilerini kullandı.

Tıbbi manyetik rezonans görüntülemenin spektroskopik kuzeni olan MRI, manyetik "spinlere" dayalı moleküler mikroskop Atom çekirdeklerinin. Bu spinlerin manyetik alanlara ve radyo frekans sinyallerine nasıl tepki verdiğini tespit ederek bilim insanları, atomların göreceli konumunu ve dolayısıyla molekülün yapısını çıkarabilirler. Kimya, biyoloji ve malzeme biliminde temel bir araçtır.

Sorun şu ki, moleküller büyüdüğünde veya spinler arasındaki etkileşimler daha karmaşık hale geldiğinde, NMR verilerini yorumlamak için kullanılan klasik yöntemler son derece pahalı hale geliyor Hesaplamalı bir bakış açısından bakıldığında, Quantum Echoes tam da bu noktada devreye giriyor: Kaotik bir sistemin iç kuantum dinamiklerini izleme yeteneği, uzun mesafelerdeki spinler arasındaki etkileşimleri daha verimli bir şekilde modellemesine olanak tanıyor.

Berkeley ile yürütülen kavram kanıtında, kuantum algoritmasıyla elde edilen sonuçlar Geleneksel MR ölçümleriyle örtüşüyor. Her iki molekül için de, yaklaşımın ilk güçlü doğrulamasını temsil eden bir çalışma. Ancak buna ek olarak, kuantum analizi, spin dinamikleri hakkında klasik tekniklerle normalde elde edilemeyen daha fazla ayrıntıyı ortaya çıkararak daha fazla hassasiyete işaret etti.

Google Quantum AI'nın işbirlikçisi ve Berkeley'de profesör olan Ashok Ajoy gibi araştırmacılar, şimdiden gelecekten bahsediyorlar. Mevcut sınırların ötesine geçebilen "kuantum spektroskopisi"Bu senaryoda, deneysel NMR'nin Quantum Echoes gibi kuantum algoritmalarıyla birleştirilmesi, yeni ilaçlar keşfetmek, Alzheimer gibi karmaşık hastalıkları daha iyi anlamak veya piller, polimerler veya hatta süperiletken kübitler için gelişmiş malzemeler tasarlamak için üst düzey bir araç haline gelebilir.

Tıp, malzeme bilimi ve diğer endüstriler üzerindeki potansiyel etki

Google'ın vaatleri gerçekleşirse, Quantum Echoes bu yönde atılan ilk ciddi adım olabilir. somut gerçek dünya uygulamalarına sahip kuantum bilgisayarlarÇok gövdeli kuantum sistemlerini doğru bir şekilde modelleme yeteneği, karmaşık elektronik etkileşimlerin simülasyonunun klasik hesaplama için neredeyse engelleyici bir sorun olduğu hesaplamalı kimya gibi alanlarda doğrudan etkilere sahiptir.

Biyomedikal alanda bu, şu olasılığı ifade eder: ilaç adayı moleküllerinin alanını çok daha verimli bir şekilde keşfetmekBinlerce bileşiği körü körüne test etmek yerine, kuantum bilgisayarı hangi yapıların belirli bir biyolojik hedefe en uygun olduğunu tahmin etmeye yardımcı olabilir ve bu da nörodejeneratif hastalıklar, kanser veya diğer karmaşık hastalıklar için tedavilerin geliştirilmesini hızlandırabilir.

Malzeme biliminde aynı mantık geçerlidir belirli özelliklere sahip yeni bileşikler tasarlamakDaha kararlı süperiletkenler, daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip pil malzemeleri, gelişmiş polimerler veya daha hafif ve daha güçlü alaşımlar. Mikroskobik düzeyde kuantum dinamikleri üzerinde kontrol, rastgele kombinasyonları test etmek ile sonuçları güvenilir bir simülasyonla hassas bir şekilde ayarlamak arasındaki farkı yaratır.

Tüm bunlara siber güvenlik gibi alanlardaki potansiyel etki de ekleniyor. Quantum Echoes, şifrelemeyi kırmayı hedeflemese de, Kuantum makinelerini kullanışlı hale getiren aynı ilerleme dalgasıGüvenlik camiası şimdiden "şimdi hasat et, sonra şifresini çöz" stratejisinden bahsediyor: Mevcut kriptografik algoritmaları kırabilen kuantum bilgisayarların var olduğu bir dönemde verileri çalmak ve şifresini çözmek. Bu durum Avrupa Birliği ve ENISA gibi kuruluşların kuantum sonrası sistemlere geçişi planlamasına yol açtı.

Jeopolitik açıdan Google'ın bu hamlesi şu şekilde: IBM, Microsoft ve birçok Çinli oyuncu gibi devlerle kıyasıya rekabetÇin'deki Wukong gibi platformlar veya IBM'in süperiletken kübitler ve uzun ömürlü mantık kübitleri alanındaki geliştirmeleri, kimsenin geride kalmak istemediğini gösteriyor. Google'ın iddia ettiği doğrulanabilir kuantum avantajı, bilimsel bir ilerlemenin yanı sıra, bu yarıştaki konumu hakkında stratejik bir mesaj niteliğinde.

Bilim camiasındaki mevcut sınırlamalar ve şüphecilik

Her şey bu kadar basit değil. Quantum Echoes deneyi, önceki kilometre taşlarından bir adım ileri gitmeyi temsil etse de, bazı uzmanlar şunu vurguluyor: Biz hala açıkça deneysel bir aşamadayız.Şimdilik gösteriler nispeten küçük moleküller ve kuantum devreleriyle gerçekleştirildi; bunlar etkileyici olsa da, büyük ölçekli endüstriyel sorunları çözmek için ihtiyaç duyulanlardan henüz çok uzak.

Google'ın kendi topladığı tahminlere göre, yaklaşık olarak ihtiyaç duyulan moleküllere ulaşmak için İlgili karmaşıklıkta 50 fiziksel kübitBu, yüz binlerce ila birkaç milyon kuantum mantık kapısının çalıştırılmasını gerektirir. Bu sayı, mevcut deneylerde kullanılan 792 kapının çok üzerindedir ve bu düzende çalışan hata azaltma teknikleri, çok daha derin devrelere iyi ölçeklenmeyebilir.

Tekrarlanan eleştirilerden biri, gösterinin gerçek bir kuantum avantajı göstermesine rağmen, Yüksek etkili pratik bir kullanım henüz kanıtlanmamıştırBaşka bir deyişle, algoritma yöntemleri doğrulamaya ve geliştirilmiş klasik tekniklerle ele alınabilecek sistemleri incelemeye hizmet etti, ancak belirli bir endüstriyel veya tıbbi bağlamda klasik hesaplama için tamamen ulaşılamaz olan bir sorunu henüz çözemedi.

Dahası, hata düzeltme sorunu hala bir engel teşkil ediyor. Büyük ölçekli kuantum bilgisayarlarını çalıştırmak, Birçok fiziksel kübitten oluşturulan sağlam mantıksal kübitlerBöylece bireysel hatalar, bilgi kaybı olmadan tespit edilip düzeltilebiliyor. Google, bu hedefi kuantum yol haritasının 3. kilometre taşı olarak belirledi: Karmaşık algoritmaları çökmeden çalıştırmanın gerekliliklerine dayanabilen, uzun ömürlü bir mantık kübiti elde etmek.

Bu çekincelere rağmen, en temkinli sesler bile şunu kabul ediyor: Kuantum Yankıları önemli bir ön adım olabilir Pratik faydayı gösterme yönünde. Asıl mesele, diğer laboratuvarların deneyi yeniden üretip üretemeyeceğini, rakip klasik algoritmaları geliştirip geliştiremeyeceğini ve her şeyden önce bu teknikleri, hataların fırlamadan daha fazla kübit ve kapıya sahip sistemlere ölçeklendirip ölçeklendiremeyeceğini görmek olacak.

Büyük resme bakıldığında, Quantum Echoes'un bir kuantum donanım ve yazılımının paralel olarak ilerlediğinin açık bir işaretiWillow, hassas zaman tersine çevirme protokollerine olanak sağlayacak kadar düşük hata oranlarıyla çalışmanın mümkün olduğunu gösterirken, algoritma gerçek dünyadaki fiziksel sorunları doğrudan ele alan uygulamalara kapı açıyor. Önümüzde hâlâ uzun bir yol var, ancak uygulamalı kuantum hesaplamanın ilk yankıları duyulmaya başlıyor.

İlgili makale:

Google AI Overviews İspanya'ya geldi: Nedir ve aramayı nasıl değiştirir?