Як працює алгоритм квантового відлуння від Google

Інформатек Діджитал » Ресурси » Як працює алгоритм квантового відлуння від Google

La Квантові обчислення — це вже не просто теорія почати втручатися в розмови про медицину, передові матеріали чи кібербезпеку. Google роками намагається продемонструвати це їхні квантові комп'ютери Це не просто привабливі прототипи, а інструменти з реальним застосуванням. Завдяки алгоритму Quantum Echoes та його чіпу Willow, компанія стверджує, що досягла однієї з тих віх, які можуть змінити темпи цієї технологічної гонки.

Цей новий алгоритм, корелятор поза порядком Розроблений для вивчення поширення квантової інформації в складних системах, він не просто неймовірно швидкий: згідно з опублікованими даними, він працює приблизно в 13 000 разів швидше, ніж найкращі класичні суперкомп'ютери для еквівалентного завдання. Але найцікавіше те, що це верифікований алгоритм, тобто його результати можна повторити та перевірити на інших подібних квантових пристроях — ключовий фактор, якщо ми хочемо, щоб ця технологія вийшла за межі лабораторії.

Що ж таке квантові відлуння і чому всі про це говорять?

Квантові відлуння – це Квантовий алгоритм типу OTOC (Корелятор позачасового порядку). Його основна функція полягає у вимірюванні того, як змінюється стан кубіта після того, як квантова система піддається серії операцій, а потім «перемотує» її еволюцію. На практиці він діє як термометр квантового хаосу: він аналізує, як інформація розподіляється в наборі кубітів, вимірюючи такі величини, як намагніченість, густина, струми та швидкість.

Google пропонує використовувати цей алгоритм як своєрідний ретельно розроблене квантове відлунняСпочатку чіп Willow отримує складний квантовий сигнал, який змушує систему еволюціонувати. Потім у певний кубіт вводиться невелике збурення, а потім виконується зворотна послідовність операцій, щоб спробувати скасувати процес. В кінці всього цього процесу система повертає квантове «луну» початкового стану, яке завдяки конструктивній інтерференції посилюється та розкриває дуже точну інформацію про те, що сталося на цьому шляху.

З теоретичної точки зору, ці типи кореляторів поза порядком використовуються для вивчення як інформація змішується та поширюється в надзвичайно складних системахтакі як моделі, що описують чорні діри або екзотичні квантові матеріали. Новим тут є те, що вперше вони були перенесені з теорії в лабораторію за допомогою експерименту, який можна повторити та перевірити, а також який вказує на дуже специфічні фізичні застосування.

Google представив ці результати у двох додаткових статтях: одна з яких була опублікована в NatureОдна стаття зосереджена на демонстрації алгоритму та його перевіреної квантової переваги, тоді як інша, розміщена в репозиторії arXiv, більше орієнтована на потенційні застосування в хімії та спектроскопії. Серед підписантів статті в Nature — Мішель Деворе, лауреат Нобелівської премії з фізики 2025 року та ключова фігура в розробці надпровідних кубітів.

За словами інженерів компанії, Квантові відлуння працюють у 13 000 разів швидше на чіпі Willow, що найкраще еквівалентний класичний алгоритм виконуються на найпотужніших суперкомп'ютерах світу. На практиці, те, на вирішення якого класичній машині знадобилися б тисячі або трильйони років, Willow виконує за лічені хвилини, переступаючи поріг того, що вважається повноцінною квантовою перевагою.

Основи квантових обчислень для розуміння алгоритму

Щоб отримати чітке уявлення про те, як працює квантове відлуння, варто пам'ятати, що Квантовий комп'ютер не працює з класичними бітами.але з кубітами. Хоча біт може бути лише 0 або 1, кубіт може перебувати в суперпозиції обох станів одночасно. Це дозволяє набору кубітів одночасно представляти величезну кількість комбінацій нулів та одиниць.

Кубіти реалізуються шляхом маніпулювання фізичними системами, такими як фотони, електрони, захоплені іони, атоми або надпровідні ланцюгиGoogle, як і інші компанії, інвестує в надпровідні кубіти, прямих нащадків експериментів з макроскопічними квантовими схемами, започаткованих Деворетом та іншими дослідниками в 1980-х роках. Ці кубіти можуть заплутуватися, тобто мати спільний квантовий стан, і формувати колективні структури, де ймовірності поєднуються, як хвилі.

У цьому контексті квантовий алгоритм — це не що інше, як послідовність логічних вентилів що застосовуються до мережа перекриваючихся та переплетених кубітівУ міру розвитку схеми амплітуди ймовірностей підсилюють або компенсують одна одну через інтерференцію. Хитрощі полягають у тому, щоб спроектувати алгоритм таким чином, щоб зрештою правильні рішення посилювалися та ставали найбільш ймовірними під час вимірювання системи.

Конструктивна інтерференція, один з ключів до квантового відлуння, виникає, коли квантові хвилі вирівнюються у фазі і вони додаються, а не компенсують один одного. Якщо схема добре спроектована, цей ефект чітко виділяє кінцеве «луну» алгоритму на тлі фонового шуму та дозволяє дуже чутливо зчитувати, як інформація поширювалася в системі, навіть якщо проміжний процес був дуже хаотичним.

Все це звучить дуже потужно, але водночас пов'язано з серйозною проблемою: крихкість квантових систем перед обличчям шумуМінімальні коливання температури, вібрації, електромагнітне випромінювання або зовнішні перешкоди можуть вносити помилки в кубіти, порушувати когерентність системи та зруйнувати розрахунок. Тому квантовий контроль помилок та зменшення декогеренції є двома основними викликами галузі.

Як квантові відлуння крок за кроком працюють на чіпі Willow

Верба остання. Надпровідний квантовий чіп від GoogleІ це апаратне забезпечення, на якому працює Quantum Echoes. Цей процесор вже привернув увагу, виконавши тести вибірки випадкових схем менш ніж за п'ять хвилин — завдання, які звичайний суперкомп'ютер не зміг би виконати за десятки септильйонів років. З Quantum Echoes Willow знову займає центральне місце.

Базову схему алгоритму можна зрозуміти як квантовий досвід «перемотування часу назад», хоча Ніщо не відсилається в минулеПроцес включає застосування послідовності операцій до системи, введення невеликого збурення до певного кубіта, а потім виконання тієї ж послідовності у зворотному порядку з надзвичайною точністю. Якщо все налаштовано належним чином, система повертається майже до початкового стану та вивільняє інтерферометричне відлуння, що містить великий обсяг інформації.

У дуже спрощеному вигляді процедура складається з трьох основних етапів: перший, добре контрольований початковий стан у наборі кубітівПотім цьому стану дозволяють еволюціонувати через послідовність квантових вентилів, які роблять його надзвичайно складним і хаотичним; нарешті, виконується зміна часу схеми, кубіт змінюється посеред процесу, і спостерігається, як це збурення впливає на кінцеве відлуння.

Перевага цієї установки полягає в тому, що відлуння, виміряне в кінці, є не слабким відбиттям, а сигналом, посиленим конструктивне втручанняСаме з цієї причини ця методика надзвичайно чутлива до незначних змін у внутрішній динаміці системи. Google використала цю чутливість для експоненціального зниження ефективного коефіцієнта помилок чіпа, досягнувши результатів нижче порогу, за якого корекція помилок великого масштабу стає життєздатною.

У деяких описаних експериментах квантова машина змогла вирішити проблему трохи більше ніж за дві години, тоді як суперкомп'ютеру Frontier — одному з найпотужніших у світі — знадобилося б... близько 3,2 років безперервних обчислень для виконання еквівалентного класичного коду. Цей величезний розрив у продуктивності, у поєднанні з тим фактом, що результат можна повторити на Willow або інших пристроях аналогічної якості, є основою так званої «перевіреної квантової переваги».

Крім того, протокол, який використовує Google Це не залишається простою вправою в квантовому перевазі без застосуванняНа відміну від попередніх експериментів, які зосереджувалися на штучних математичних проблемах, які важко перенести в реальний світ, тут алгоритм використовується для моделювання дуже специфічних фізичних процесів: структура та динаміка реальних молекул також вивчалися за допомогою ядерного магнітного резонансу.

Перевірена квантова перевага: чим цей прорив відрізняється

Досі багато заяв про «квантову перевагу» зазнавали критики через Незрозуміло, як незалежно перевірити результати ані яке практичне застосування мали розв'язані задачі. Наприклад, віха Google у 2019 році полягала у виконанні розрахунку випадкової вибірки схеми, який жоден суперкомп'ютер не міг відтворити за розумний час, але який також не мав застосування поза лабораторією.

З Quantum Echoes компанія намагається вирішити цю дискусію за допомогою експерименту, розробленого з самого початку, щоб бути перевірений, і повторити трюк усім, хто цього хочеАлгоритм було реалізовано з параметрами та конфігураціями, які можуть спробувати відтворити інші дослідницькі групи з порівнянним квантовим обладнанням. Крім того, результати квантового моделювання порівнюються з класичними фізичними вимірюваннями, отриманими за допомогою добре відомих методів.

«Квантова перевірюваність», про яку заявляє Google, ґрунтується на двох основах: по-перше, на тому, що розрахунки можна відтворити на інших подібних квантових машинах; по-друге, на можливості… порівняти результат алгоритму з експериментальними даними ядерна магнітно-резонансна томографія або класичне моделювання у випадках, коли вони все ще можливі. Ця подвійна перевірка надає ваги твердженню, що ми маємо справу не просто з математичним трюком, який важко перевірити.

Щоб така демонстрація була можливою, апаратне забезпечення повинно поєднувати високошвидкісні операції з надзвичайно низьким рівнем помилокБудь-яке відхилення в послідовності обернення часу руйнує остаточне відлуння. Той факт, що Willow змогла подолати цю проблему без колапсу, означає, що контроль над надпровідними кубітами досяг вражаючого рівня, набагато зрілішого, ніж лише кілька років тому.

Навіть попри це, деякі експерти закликають до обережності. Дослідники, такі як Карлос Сабін з кафедри теоретичної фізики Автономного університету Мадрида, зазначають, що Вже було оголошено про інші квантові переваги, які згодом були кваліфіковані. Хоча інші групи вдосконалили класичні алгоритми або знайшли способи наближеного аналізу результатів за допомогою звичайних комп'ютерів, наукова спільнота зараз перевірила, якою мірою експеримент Google позначає чітку межу.

Застосування в хімії: молекули, ЯМР та мрія про «квантоскоп»

Одним із найвражаючих аспектів квантового відлуння є його використання як інструменту для хімічне моделювання та квантова спектроскопіяУ співпраці з Каліфорнійським університетом у Берклі, Google запустив алгоритм на Willow для вивчення двох молекул: однієї з 15 атомами, а іншої з 28, використовуючи експериментальні дані ядерного магнітного резонансу (ЯМР) як точку порівняння.

МРТ, спектроскопічний двоюрідний брат медичної магнітно-резонансної томографії, діє як молекулярний мікроскоп на основі магнітних «спінів» атомних ядер. Виявляючи, як ці спіни реагують на магнітні поля та радіочастотні сигнали, вчені можуть визначити взаємне положення атомів і, як наслідок, структуру молекули. Це фундаментальний інструмент у хімії, біології та матеріалознавстві.

Проблема полягає в тому, що коли молекули стають великими або взаємодії між спінами стають складнішими, Класичні методи інтерпретації даних ЯМР стають надзвичайно дорогими З обчислювальної точки зору, саме тут і з'являється Quantum Echoes: його здатність відстежувати внутрішню квантову динаміку хаотичної системи дозволяє йому ефективніше моделювати взаємодії між спінами на великих відстанях.

У дослідженні, проведеному разом з Берклі, результати, отримані за допомогою квантового алгоритму Вони збіглися з традиційними вимірюваннями МРТ. для обох молекул, що стало першим переконливим підтвердженням підходу. Але крім того, квантовий аналіз виявив додаткові деталі про динаміку спіну, які зазвичай неможливо отримати класичними методами, що вказує на більшу чутливість.

Такі дослідники, як Ашок Аджой, співробітник Google Quantum AI та професор у Берклі, вже говорять про майбутнє «Квантова спектроскопія», здатна вийти за межі сучасних можливостейУ цьому сценарії поєднання експериментального ЯМР з квантовими алгоритмами, такими як Quantum Echoes, може стати першокласним інструментом для відкриття нових ліків, кращого розуміння складних захворювань, таких як хвороба Альцгеймера, або розробки передових матеріалів для батарей, полімерів чи навіть самих надпровідних кубітів.

Потенційний вплив на медицину, матеріалознавство та інші галузі промисловості

Якщо обіцянки Google справдяться, Quantum Echoes може стати першим серйозним кроком на шляху... квантові комп'ютери з відчутними застосуваннями в реальному світіЗдатність точно моделювати квантові системи багатьох частинок має прямі наслідки в таких галузях, як обчислювальна хімія, де моделювання складних електронних взаємодій є майже непосильною проблемою для класичних обчислень.

У біомедичній галузі це означає можливість набагато ефективніше досліджувати простір молекул-кандидатів на лікиЗамість сліпого тестування тисяч сполук, квантовий комп'ютер може допомогти передбачити, які структури найкраще підходять для конкретної біологічної мішені, прискорюючи розробку методів лікування нейродегенеративних захворювань, раку чи інших складних захворювань.

У матеріалознавстві та сама логіка застосовується до розробляти нові сполуки зі специфічними властивостямиБільш стабільні надпровідники, матеріали для акумуляторів з вищою щільністю енергії, вдосконалені полімери або легші та міцніші сплави. Контроль над квантовою динамікою на мікроскопічному рівні визначає різницю між тестуванням випадкових комбінацій та точне налаштування результатів за допомогою надійного моделювання.

До всього цього додається потенційний вплив на такі сфери, як кібербезпека. Хоча сама програма «Квантові відлуння» не спрямована на зламування шифрування, вона є частиною та сама хвиля прогресу, яка наближає квантові машини до корисностіСпільнота безпеки вже говорить про стратегію «зібрати зараз, розшифрувати пізніше»: крадіжка даних сьогодні для їх розшифрування, коли існують квантові комп’ютери, здатні зламувати сучасні криптографічні алгоритми, що спонукало такі організації, як Європейський Союз та ENISA, планувати перехід до постквантових систем.

На геополітичному рівні крок Google вписується в Жорстка конкуренція з такими гігантами, як IBM, Microsoft та кількома китайськими гравцямиТакі платформи, як Wukong у Китаї, або розробки IBM у сфері надпровідних кубітів та довгоживучих логічних кубітів, показують, що ніхто не хоче відставати. Перевірена квантова перевага, про яку заявляє Google, є, окрім наукового прогресу, стратегічним повідомленням про її позицію в цій гонці.

Поточні обмеження та скептицизм у науковій спільноті

Це не зовсім феєрверк. Хоча експеримент «Квантові відлуння» являє собою крок вперед порівняно з попередніми досягненнями, деякі експерти наголошують на тому, що Ми все ще явно перебуваємо на експериментальній стадії.Наразі демонстрації проводилися з відносно малими молекулами та квантовими схемами, які, хоча й вражають, все ще далекі від того, що було б потрібно для вирішення великомасштабних промислових проблем.

Згідно з оцінками, зібраними самою компанією Google, для досягнення молекул, яким потрібно близько 50 фізичних кубітів відповідної складностіЦе вимагатиме роботи від сотень тисяч до кількох мільйонів квантових логічних вентилів. Це число значно перевищує 792 вентилі, що використовуються в поточних експериментах, і методи зменшення помилок, які працюють у цьому режимі, можуть не добре масштабуватися для набагато глибших схем.

Одна з постійних критик полягає в тому, що, хоча демонстрація показує реальну квантову перевагу, Практичне використання з високим впливом ще не доведеноІншими словами, алгоритм слугував для перевірки методів та вивчення систем, які можна обробляти за допомогою вдосконалених класичних методів, але він ще не вирішив проблему, яка була абсолютно недосяжною для класичних обчислень у конкретному промисловому чи медичному контексті.

Крім того, питання виправлення помилок залишається перешкодою. Для роботи великомасштабних квантових комп'ютерів потрібна... Надійні логічні кубіти, побудовані з багатьох фізичних кубітівщоб окремі помилки можна було виявляти та виправляти без втрати інформації. Google визначила цю мету як третій етап своєї квантової дорожньої карти: досягнення довговічного логічного кубіта, який може витримувати вимоги запуску складних алгоритмів без збоїв.

Незважаючи на ці застереження, навіть найобережніші голоси визнають, що Квантові відлуння можуть бути важливим попереднім кроком у напрямку демонстрації практичної корисності. Ключовим буде побачити, чи зможуть інші лабораторії відтворити експеримент, покращити конкуруючі класичні алгоритми та, перш за все, масштабувати ці методи до систем з більшою кількістю кубітів та вентилів без стрімкого зростання помилок.

Дивлячись на загальну картину, Квантові Відлуння формуються як чітка ознака того, що квантове обладнання та програмне забезпечення розвиваються паралельноВіллоу демонструє, що можливо працювати з достатньо низьким рівнем помилок, щоб забезпечити делікатні протоколи зворотного обертання часу, водночас алгоритм відкриває двері для застосувань, які безпосередньо вирішують реальні фізичні проблеми. Попереду ще довгий шлях, але перші відлуння прикладних квантових обчислень починають голосно чутися.

Пов'язана стаття:

Google AI Overviews прибуває в Іспанію: що це таке та як він змінює пошук