Thuật toán Quantum Echoes của Google hoạt động như thế nào

Informatec Digital » Recursos » Thuật toán Quantum Echoes của Google hoạt động như thế nào

La máy tính lượng tử không còn chỉ là lý thuyết nữa để bắt đầu tham gia vào các cuộc trò chuyện về y học, vật liệu tiên tiến hoặc an ninh mạng. Google đã cố gắng trong nhiều năm để chứng minh rằng máy tính lượng tử của họ Đây không chỉ là những nguyên mẫu bắt mắt mà còn là những công cụ có ứng dụng thực tế. Với thuật toán Quantum Echoes và chip Willow, công ty tuyên bố đã đạt được một trong những cột mốc có thể thay đổi tốc độ của cuộc đua công nghệ này.

Thuật toán mới này, một bộ tương quan không theo thứ tự Được thiết kế để nghiên cứu cách thông tin lượng tử lan truyền trong các hệ thống phức tạp, nó không chỉ cực kỳ nhanh: theo dữ liệu đã công bố, nó hoạt động nhanh hơn khoảng 13.000 lần so với các siêu máy tính cổ điển tốt nhất cho một tác vụ tương đương. Nhưng điều thú vị nhất là nó là một thuật toán có thể kiểm chứng, nghĩa là kết quả của nó có thể được lặp lại và kiểm tra trên các thiết bị lượng tử tương tự khác - một yếu tố then chốt nếu chúng ta muốn công nghệ này vượt ra khỏi phạm vi phòng thí nghiệm.

Quantum Echoes thực chất là gì và tại sao mọi người lại bàn tán về nó?

Tiếng vọng lượng tử là một Thuật toán lượng tử loại OTOC (Bộ tương quan ngoài trật tự thời gian). Chức năng chính của nó là đo lường sự thay đổi trạng thái của một qubit sau khi cho một hệ lượng tử trải qua một loạt các phép toán và sau đó "tua ngược" quá trình tiến hóa của nó. Trên thực tế, nó hoạt động như một nhiệt kế đo lường sự hỗn loạn lượng tử: nó phân tích cách thông tin được phân tán trong một tập hợp qubit bằng cách đo các đại lượng như từ hóa, mật độ, dòng điện và vận tốc.

Những gì Google đề xuất là sử dụng thuật toán này như một loại tiếng vang lượng tử được thiết kế cẩn thậnĐầu tiên, chip Willow nhận được một tín hiệu lượng tử phức tạp khiến hệ thống tiến hóa. Sau đó, một nhiễu loạn nhỏ được đưa vào một qubit cụ thể, và sau đó, chuỗi hoạt động ngược lại được thực hiện để cố gắng hoàn tác quá trình. Khi toàn bộ quá trình này kết thúc, hệ thống trả về một "tiếng vọng" lượng tử của trạng thái ban đầu, được khuếch đại nhờ giao thoa xây dựng và tiết lộ thông tin cực kỳ chính xác về những gì đã xảy ra trên đường đi.

Theo quan điểm lý thuyết, các loại tương quan không theo thứ tự này được sử dụng để nghiên cứu cách thông tin trộn lẫn và lan truyền trong các hệ thống cực kỳ phức tạpchẳng hạn như các mô hình mô tả lỗ đen hoặc các vật liệu lượng tử kỳ lạ. Điểm mới ở đây là, lần đầu tiên, chúng đã được đưa từ lý thuyết vào phòng thí nghiệm với một thí nghiệm có thể lặp lại và kiểm chứng, đồng thời cũng chỉ ra những ứng dụng vật lý rất cụ thể.

Google đã trình bày những kết quả này trong hai bài báo bổ sung: một bài được xuất bản trong Thiên nhiênMột bài báo tập trung vào việc chứng minh thuật toán và lợi thế lượng tử có thể kiểm chứng của nó, trong khi một bài báo khác, được đăng trên kho lưu trữ arXiv, hướng nhiều hơn đến các ứng dụng tiềm năng trong hóa học và quang phổ học. Trong số những người ký tên vào bài báo trên Nature có Michel Devoret, người đoạt giải Nobel Vật lý năm 2025 và là một nhân vật chủ chốt trong việc phát triển qubit siêu dẫn.

Theo các kỹ sư của công ty, Quantum Echoes hoạt động nhanh hơn 13.000 lần trên chip Willow là tốt nhất thuật toán cổ điển tương đương Được thực hiện trên những siêu máy tính mạnh nhất thế giới. Trên thực tế, những gì một cỗ máy cổ điển phải mất hàng nghìn hoặc hàng nghìn tỷ năm để giải quyết, Willow chỉ mất vài phút, vượt qua ngưỡng được coi là lợi thế lượng tử toàn diện.

Những nguyên tắc cơ bản của máy tính lượng tử để hiểu thuật toán

Để có được ý tưởng rõ ràng về cách thức hoạt động của Quantum Echoes, điều đáng ghi nhớ là Máy tính lượng tử không hoạt động với bit cổ điển.nhưng với qubit. Trong khi một bit chỉ có thể là 0 hoặc 1, một qubit có thể ở trạng thái chồng chập của cả hai trạng thái cùng một lúc. Điều này cho phép một tập hợp qubit đồng thời biểu diễn một số lượng lớn các tổ hợp số 0 và số 1.

Qubit được thực hiện bằng cách thao tác các hệ thống vật lý như photon, electron, ion bị bẫy, nguyên tử hoặc mạch siêu dẫnGoogle, giống như các công ty khác, đang đầu tư vào qubit siêu dẫn, hậu duệ trực tiếp của các thí nghiệm về mạch lượng tử vĩ mô do Devoret và các nhà nghiên cứu khác khởi xướng vào những năm 1980. Các qubit này có thể trở nên vướng víu, tức là chia sẻ một trạng thái lượng tử chung và tạo thành các cấu trúc tập thể trong đó xác suất kết hợp với nhau như sóng.

Trong bối cảnh này, một thuật toán lượng tử không gì hơn là một chuỗi các cổng logic được áp dụng cho một mạng lưới các qubit chồng chéo và đan xenKhi mạch điện phát triển, các biên độ xác suất sẽ tăng cường hoặc triệt tiêu lẫn nhau thông qua giao thoa. Bí quyết là thiết kế thuật toán sao cho cuối cùng, các nghiệm đúng được khuếch đại và trở thành nghiệm có xác suất cao nhất khi đo hệ thống.

Sự can thiệp mang tính xây dựng, một trong những chìa khóa của Tiếng vọng lượng tử, xảy ra khi sóng lượng tử sắp xếp theo pha và chúng cộng dồn thay vì triệt tiêu lẫn nhau. Nếu mạch được thiết kế tốt, hiệu ứng này làm cho "tiếng vọng" cuối cùng của thuật toán nổi bật rõ ràng giữa nhiễu nền và cho phép đọc rất chính xác cách thông tin lan truyền trong hệ thống, ngay cả khi quá trình trung gian rất hỗn loạn.

Tất cả những điều này nghe có vẻ rất mạnh mẽ, nhưng nó cũng đi kèm với một vấn đề nghiêm trọng: sự mong manh của các hệ thống lượng tử khi đối mặt với tiếng ồnNhững biến động nhỏ về nhiệt độ, độ rung, bức xạ điện từ hoặc nhiễu bên ngoài có thể gây ra lỗi cho qubit, phá vỡ tính nhất quán của hệ thống và làm hỏng tính toán. Do đó, kiểm soát lỗi lượng tử và giảm độ mất kết hợp là hai trong số những thách thức lớn của ngành.

Cách thức hoạt động của Quantum Echoes từng bước trên chip Willow

Liễu là cây cuối cùng Chip lượng tử siêu dẫn của GoogleVà đó chính là phần cứng mà Quantum Echoes chạy trên đó. Bộ xử lý này đã thu hút sự chú ý khi hoàn thành các bài kiểm tra chuẩn để lấy mẫu các mạch ngẫu nhiên trong vòng chưa đầy năm phút - những nhiệm vụ mà một siêu máy tính thông thường không thể hoàn thành trong hàng chục nghìn tỷ năm. Với Quantum Echoes, Willow một lần nữa chiếm vị trí trung tâm.

Sơ đồ cơ bản của thuật toán có thể được hiểu là trải nghiệm "quay ngược thời gian" lượng tử, mặc dù Không có gì được gửi về quá khứQuá trình này bao gồm việc áp dụng một chuỗi các phép toán vào hệ thống, đưa một nhiễu loạn nhỏ vào một qubit cụ thể, rồi thực hiện lại chuỗi đó theo chiều ngược lại với độ chính xác cực cao. Nếu mọi thứ được tinh chỉnh đúng, hệ thống sẽ trở về gần trạng thái ban đầu và phát ra một tín hiệu phản hồi giao thoa chứa đựng rất nhiều thông tin.

Theo cách rất đơn giản, quy trình này tuân theo ba giai đoạn chính: đầu tiên, trạng thái ban đầu được kiểm soát tốt trong một tập hợp qubitSau đó, trạng thái đó được phép tiến triển thông qua một chuỗi các cổng lượng tử khiến nó trở nên cực kỳ phức tạp và hỗn loạn; cuối cùng, quá trình đảo ngược thời gian của mạch được thực hiện, một qubit bị thay đổi ở giữa quá trình và người ta quan sát thấy sự nhiễu loạn đó ảnh hưởng đến tiếng vang cuối cùng như thế nào.

Vẻ đẹp của thiết lập này là tiếng vang được đo ở cuối không phải là sự phản xạ yếu, mà là tín hiệu được khuếch đại bởi sự can thiệp mang tính xây dựngChính vì lý do này, kỹ thuật này cực kỳ nhạy cảm với những thay đổi nhỏ trong động lực học bên trong hệ thống. Google đã tận dụng độ nhạy này để giảm đáng kể tỷ lệ lỗi hiệu dụng của chip, đạt được kết quả dưới ngưỡng khả thi cho việc sửa lỗi quy mô lớn.

Trong một số thí nghiệm được mô tả, máy lượng tử có thể giải quyết vấn đề chỉ trong hơn hai giờ, trong khi siêu máy tính Frontier - một trong những siêu máy tính mạnh nhất thế giới - sẽ cần khoảng 3,2 năm tính toán liên tục để thực thi mã cổ điển tương đương. Khoảng cách hiệu suất lớn này, cùng với việc kết quả có thể được lặp lại trên Willow hoặc các thiết bị khác có chất lượng tương đương, là cơ sở của cái gọi là "lợi thế lượng tử có thể kiểm chứng".

Hơn nữa, giao thức được Google sử dụng Nó không còn là một bài tập đơn giản về tính tối cao lượng tử nếu không có ứng dụngKhông giống như các thí nghiệm trước đây, tập trung vào các bài toán toán học nhân tạo khó áp dụng vào thế giới thực, ở đây thuật toán được sử dụng để mô phỏng các quá trình vật lý rất cụ thể: cấu trúc và động lực học của các phân tử thực cũng được nghiên cứu bằng cộng hưởng từ hạt nhân.

Lợi thế lượng tử có thể kiểm chứng: tại sao bước đột phá này lại khác biệt

Cho đến nay, nhiều thông báo về “quyền tối cao lượng tử” đã nhận được sự chỉ trích vì Không rõ cách xác minh kết quả một cách độc lập cũng như không biết các bài toán đã giải có ứng dụng thực tế nào. Ví dụ, cột mốc năm 2019 của Google bao gồm việc thực hiện một phép tính trên mẫu mạch ngẫu nhiên mà không siêu máy tính nào có thể sao chép trong thời gian hợp lý, nhưng cũng không có ứng dụng nào bên ngoài phòng thí nghiệm.

Với Quantum Echoes, công ty cố gắng giải quyết cuộc tranh luận đó bằng một thí nghiệm được thiết kế ngay từ đầu để có thể xác minh và lặp lại thủ thuật này cho bất kỳ ai muốnThuật toán đã được triển khai với các tham số và cấu hình mà các nhóm nghiên cứu khác, với phần cứng lượng tử tương đương, có thể thử nghiệm sao chép. Hơn nữa, kết quả mô phỏng lượng tử được so sánh với các phép đo vật lý cổ điển thu được bằng các kỹ thuật đã được thiết lập tốt.

"Khả năng xác minh lượng tử" mà Google tuyên bố dựa trên hai trụ cột: thứ nhất, thực tế là các phép tính có thể được tái tạo trên các máy lượng tử tương tự khác; thứ hai, khả năng so sánh kết quả đầu ra của thuật toán với dữ liệu thực nghiệm chụp cộng hưởng từ hạt nhân hoặc mô phỏng cổ điển trong những trường hợp vẫn khả thi. Sự xác nhận kép này củng cố thêm khẳng định rằng chúng ta không chỉ đang xử lý một thủ thuật toán học khó kiểm chứng.

Để loại trình diễn này có thể thực hiện được, phần cứng phải kết hợp hoạt động tốc độ cao với tỷ lệ lỗi cực thấpBất kỳ sai lệch nào trong chuỗi đảo ngược thời gian đều làm hỏng tiếng vang cuối cùng. Việc Willow có thể vượt qua thử thách này mà không bị sụp đổ ngụ ý rằng khả năng kiểm soát qubit siêu dẫn đã đạt đến một cấp độ đáng chú ý, trưởng thành hơn nhiều so với chỉ vài năm trước.

Tuy nhiên, một số chuyên gia vẫn kêu gọi thận trọng. Các nhà nghiên cứu như Carlos Sabín, từ Khoa Vật lý Lý thuyết tại Đại học Tự trị Madrid, chỉ ra rằng Những lợi thế lượng tử khác đã được công bố và sau đó đã được xác nhận. Trong khi các nhóm khác đã cải tiến các thuật toán cổ điển hoặc tìm ra cách ước tính kết quả bằng máy tính thông thường, cộng đồng khoa học hiện đang trong quá trình xác minh xem thử nghiệm của Google đánh dấu ranh giới vững chắc đến mức nào.

Ứng dụng trong hóa học: phân tử, NMR và giấc mơ về “máy lượng tử”

Một trong những khía cạnh nổi bật nhất của Quantum Echoes là việc sử dụng nó như một công cụ để mô phỏng hóa học và quang phổ lượng tửHợp tác với Đại học California tại Berkeley, Google đã chạy thuật toán trên Willow để nghiên cứu hai phân tử: một phân tử có 15 nguyên tử và một phân tử có 28 nguyên tử, sử dụng dữ liệu cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) thực nghiệm làm điểm so sánh.

MRI, người anh em họ quang phổ của chụp cộng hưởng từ y tế, hoạt động như một kính hiển vi phân tử dựa trên “spin” từ tính của hạt nhân nguyên tử. Bằng cách phát hiện cách các spin này phản ứng với từ trường và tín hiệu tần số vô tuyến, các nhà khoa học có thể suy ra vị trí tương đối của các nguyên tử và từ đó, cấu trúc của phân tử. Đây là một công cụ cơ bản trong hóa học, sinh học và khoa học vật liệu.

Vấn đề là khi các phân tử trở nên lớn hoặc tương tác giữa các vòng quay trở nên phức tạp hơn, Các phương pháp cổ điển để giải thích dữ liệu NMR trở nên cực kỳ tốn kém Xét về mặt tính toán. Đó chính là lúc Quantum Echoes phát huy tác dụng: khả năng theo dõi động lực lượng tử nội tại của một hệ thống hỗn loạn cho phép nó mô hình hóa tương tác giữa các vòng quay trên khoảng cách xa một cách hiệu quả hơn.

Trong bằng chứng khái niệm được thực hiện với Berkeley, các kết quả thu được bằng thuật toán lượng tử Chúng trùng khớp với các phép đo MRI truyền thống. cho cả hai phân tử, đây là minh chứng rõ ràng đầu tiên cho phương pháp này. Tuy nhiên, phân tích lượng tử còn tiết lộ thêm nhiều chi tiết về động lực học spin mà thông thường không thể thu được bằng các kỹ thuật cổ điển, cho thấy độ nhạy cao hơn.

Các nhà nghiên cứu như Ashok Ajoy, một cộng tác viên của Google Quantum AI và là giáo sư tại Berkeley, đã nói về một tương lai “Phổ lượng tử” có khả năng vượt qua giới hạn hiện tạiTrong kịch bản này, sự kết hợp giữa NMR thử nghiệm với các thuật toán lượng tử như Quantum Echoes có thể trở thành công cụ hàng đầu để khám phá các loại thuốc mới, hiểu rõ hơn về các bệnh phức tạp như bệnh Alzheimer hoặc thiết kế các vật liệu tiên tiến cho pin, polyme hoặc thậm chí là qubit siêu dẫn.

Tác động tiềm tàng đến y học, khoa học vật liệu và các ngành công nghiệp khác

Nếu lời hứa của Google trở thành hiện thực, Quantum Echoes có thể là bước đi nghiêm túc đầu tiên hướng tới máy tính lượng tử với các ứng dụng thực tế hữu hìnhKhả năng mô hình hóa chính xác các hệ lượng tử nhiều vật thể có ý nghĩa trực tiếp trong các lĩnh vực như hóa học tính toán, nơi mà việc mô phỏng các tương tác điện tử phức tạp gần như là một vấn đề cấm đoán đối với máy tính cổ điển.

Trong lĩnh vực y sinh, điều này chuyển thành khả năng để khám phá không gian của các phân tử ứng cử viên thuốc hiệu quả hơn nhiềuThay vì thử nghiệm hàng nghìn hợp chất một cách mù quáng, máy tính lượng tử có thể giúp dự đoán cấu trúc nào phù hợp nhất với mục tiêu sinh học cụ thể, đẩy nhanh quá trình phát triển phương pháp điều trị các bệnh thoái hóa thần kinh, ung thư hoặc các bệnh phức tạp khác.

Trong khoa học vật liệu, logic tương tự cũng được áp dụng cho thiết kế các hợp chất mới có đặc tính cụ thểChất siêu dẫn ổn định hơn, vật liệu pin có mật độ năng lượng cao hơn, polymer tiên tiến, hoặc hợp kim nhẹ hơn và bền hơn. Việc kiểm soát động lực học lượng tử ở cấp độ vi mô tạo nên sự khác biệt giữa việc thử nghiệm các kết hợp ngẫu nhiên và tinh chỉnh kết quả bằng mô phỏng đáng tin cậy.

Thêm vào đó là tác động tiềm tàng đến các lĩnh vực như an ninh mạng. Mặc dù Quantum Echoes không nhằm mục đích phá vỡ mã hóa, nhưng nó là một phần của cùng một làn sóng tiến bộ đưa máy lượng tử đến gần hơn với sự hữu íchCộng đồng an ninh đang thảo luận về chiến lược "thu thập trước, giải mã sau": đánh cắp dữ liệu ngày nay để giải mã khi máy tính lượng tử có khả năng phá vỡ các thuật toán mật mã hiện tại, điều này đã khiến các tổ chức như Liên minh Châu Âu và ENISA lên kế hoạch chuyển đổi sang hệ thống hậu lượng tử.

Ở cấp độ địa chính trị, động thái của Google phù hợp với Cạnh tranh khốc liệt với những gã khổng lồ như IBM, Microsoft và một số công ty Trung QuốcNhững nền tảng như Wukong ở Trung Quốc, hay những phát triển của IBM về qubit siêu dẫn và qubit logic tuổi thọ cao, cho thấy không ai muốn bị bỏ lại phía sau. Lợi thế lượng tử có thể kiểm chứng mà Google tuyên bố, ngoài một tiến bộ khoa học, còn là một thông điệp chiến lược về vị thế của hãng trong cuộc đua này.

Những hạn chế và sự hoài nghi hiện tại trong cộng đồng khoa học

Không phải tất cả đều là pháo hoa. Mặc dù thí nghiệm Quantum Echoes là một bước tiến vượt bậc so với các cột mốc trước đó, một số chuyên gia nhấn mạnh rằng Rõ ràng là chúng ta vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm.Hiện tại, các cuộc trình diễn đã được thực hiện với các phân tử tương đối nhỏ và với các mạch lượng tử, mặc dù ấn tượng nhưng vẫn còn kém xa so với những gì cần thiết để giải quyết các vấn đề công nghiệp quy mô lớn.

Theo ước tính do chính Google thu thập, để đạt được các phân tử cần theo thứ tự 50 qubit vật lý có độ phức tạp liên quanĐiều này đòi hỏi phải chạy từ hàng trăm nghìn đến vài triệu cổng logic lượng tử. Con số này cao hơn nhiều so với 792 cổng được sử dụng trong các thí nghiệm hiện tại, và các kỹ thuật giảm thiểu lỗi hoạt động trong chế độ này có thể không mở rộng tốt đến các mạch sâu hơn nhiều.

Một trong những lời chỉ trích thường xuyên là mặc dù cuộc trình diễn cho thấy một lợi thế lượng tử thực sự, Một ứng dụng thực tế có tác động cao vẫn chưa được chứng minhNói cách khác, thuật toán này đã được sử dụng để xác thực các phương pháp và nghiên cứu các hệ thống có thể được xử lý bằng các kỹ thuật cổ điển cải tiến, nhưng vẫn chưa giải quyết được vấn đề hoàn toàn không thể đạt được đối với máy tính cổ điển trong bối cảnh công nghiệp hoặc y tế cụ thể.

Hơn nữa, vấn đề sửa lỗi vẫn là một rào cản. Việc vận hành máy tính lượng tử quy mô lớn đòi hỏi Qubit logic mạnh mẽ được xây dựng từ nhiều qubit vật lýđể các lỗi riêng lẻ có thể được phát hiện và sửa chữa mà không làm mất thông tin. Google đã xác định mục tiêu này là cột mốc thứ 3 trong lộ trình lượng tử của mình: đạt được qubit logic có tuổi thọ cao, có thể chịu được yêu cầu chạy các thuật toán phức tạp mà không bị sập.

Bất chấp những nghi ngại này, ngay cả những tiếng nói thận trọng nhất cũng thừa nhận rằng Tiếng vọng lượng tử có thể là một bước khởi đầu quan trọng theo hướng chứng minh tính ứng dụng thực tế. Điều quan trọng là xem liệu các phòng thí nghiệm khác có thể tái tạo thí nghiệm, cải thiện các thuật toán cổ điển đang cạnh tranh hay không, và trên hết, mở rộng các kỹ thuật này sang các hệ thống có nhiều qubit và nhiều cổng hơn mà không làm tăng vọt sai số.

Nhìn vào bức tranh toàn cảnh, Quantum Echoes đang định hình trở thành một một dấu hiệu rõ ràng cho thấy phần cứng và phần mềm lượng tử đang tiến triển song songWillow chứng minh rằng có thể vận hành với tỷ lệ lỗi đủ thấp để cho phép các giao thức đảo ngược thời gian tinh vi, đồng thời thuật toán này mở ra cánh cửa cho các ứng dụng giải quyết trực tiếp các vấn đề vật lý trong thế giới thực. Con đường phía trước vẫn còn dài, nhưng những tiếng vang đầu tiên của điện toán lượng tử ứng dụng đang bắt đầu vang lên.

Bài viết liên quan:

Google AI Overviews có mặt tại Tây Ban Nha: nó là gì và nó thay đổi tìm kiếm như thế nào