Ο αλγόριθμος της Google, Quantum Echoes, αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προς τις εφαρμογές κβαντικής υπολογιστικής στον πραγματικό κόσμο
Στις 22 Οκτωβρίου, η Google ανακοίνωσε μια έρευνα που δείχνει ότι, για πρώτη φορά στην ιστορία, ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να εκτελέσει με επιτυχία έναν επαληθεύσιμο αλγόριθμο σε εξοπλισμό, ξεπερνώντας ακόμα και τους ταχύτερους κλασικούς υπερυπολογιστές (13.000 φορές πιο γρήγορα). Μπορεί να υπολογίσει τη δομή ενός μορίου και να ανοίξει τον δρόμο για εφαρμογές στον πραγματικό κόσμο. Η σημερινή πρόοδος βασίζεται σε δεκαετίες δουλειάς και έξι χρόνια σημαντικών επιτευγμάτων. Το 2019, η Google απέδειξε ότι ένας κβαντικός υπολογιστής μπορούσε να λύσει ένα πρόβλημα που ο ταχύτερος κλασικός υπερυπολογιστής θα χρειαζόταν χιλιάδες χρόνια για να λύσει. Στη συνέχεια, στα τέλη του περασμένου έτους (2024), το νέο κβαντικό τσιπ Willow έδειξε πώς να καταστείλει δραματικά τα σφάλματα, λύνοντας ένα σημαντικό πρόβλημα που απασχολούσε τους επιστήμονες για σχεδόν 30 χρόνια. Αυτή η ανακάλυψη μας φέρνει πιο κοντά στους κβαντικούς υπολογιστές που μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντικές ανακαλύψεις – σε τομείς όπως η ιατρική και η επιστήμη των υλικών.
Φανταστείτε ότι προσπαθείτε να βρείτε ένα χαμένο πλοίο στον βυθό του ωκεανού. Η τεχνολογία σόναρ μπορεί να σας δείξει ένα θολό σχήμα και να σας πει “Υπάρχει ένα ναυάγιο εκεί κάτω”. Τι θα λέγατε όμως αν μπορούσατε όχι μόνο να βρείτε το πλοίο, αλλά και να διαβάσετε την πινακίδα με το όνομά του στην καρίνα;
Αυτό είναι το είδος της πρωτοφανούς ακρίβειας που μόλις πέτυχε η Google με το κβαντικό τσιπ Willow. Στις 22 Οκτωβρίου, η Google ανακοίνωσε μια σημαντική αλγοριθμική ανακάλυψη που σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς την πρώτη εφαρμογή στον πραγματικό κόσμο. Η Google μόλις δημοσίευσε στο Nature την έρευνά της, στην οποία παρουσίασε το πρώτο επαληθεύσιμο κβαντικό πλεονέκτημα, εκτελώντας τον αλγόριθμο εκτός σειράς χρονικού συσχετιστή (OTOC), τον οποίο και ονομάζειQuantum Echoes.
Ο αλγόριθμος Quantum Echoes είναι χρήσιμος για την εκμάθηση της δομής των συστημάτων στη φύση, από μόρια έως μαγνήτες και μαύρες τρύπες. H Google απέδειξε ότι εκτελείται 13.000 φορές ταχύτερα στο Willow σε σύγκριση με τον καλύτερο κλασικό αλγόριθμο, που τρέχει σε έναν από τους ισχυρότερους υπερυπολογιστές στον κόσμο.
Σε ένα ξεχωριστό πείραμα απόδειξης αρχής, Quantum computation of molecular geometry via many-body nuclear spin echoes (που θα αναρτηθεί αργότερα σήμερα στο arXiv), η Google έδειξε πώς η νέα της τεχνική, ένας “μοριακός χάρακας”, μπορεί να μετρήσει μεγαλύτερες αποστάσεις από τις σημερινές μεθόδους, αξιοποιώντας δεδομένα Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) για να αποκτήσει περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τη χημική δομή.
Ο αλγόριθμος Quantum Echoes, ένα επαληθεύσιμο κβαντικό πλεονέκτημα
Αυτή είναι η πρώτη φορά στην ιστορία που ένας κβαντικός υπολογιστής εκτελεί με επιτυχία έναν επαληθεύσιμο αλγόριθμο που ξεπερνά τις δυνατότητες των υπερυπολογιστών. Η επαληθευσιμότητα κβαντικών υπολογιστών σημαίνει ότι το αποτέλεσμα μπορεί να επαναληφθεί στον κβαντικό υπολογιστή της Google ή σε οποιονδήποτε άλλο της ίδιας κατηγορίας, λαμβάνοντας την ίδια απάντηση και επιβεβαιώνοντας το αποτέλεσμα. Αυτός ο επαναχρησιμοποιήσιμος, υπερκλασικός υπολογισμός αποτελεί τη βάση για επαλήθευση με δυνατότητα κλιμάκωσης, φέρνοντας τους κβαντικούς υπολογιστές ένα βήμα πιο κοντά σε πρακτικές εφαρμογές.
Αυτή η νέα τεχνική λειτουργεί σαν ένα εξαιρετικά προηγμένο ηχείο. Η εταιρεία στέλνει ένα προσεκτικά σχεδιασμένο σήμα στο κβαντικό της σύστημα (qubit στο τσιπ Willow) και, στη συνέχεια, αντιστρέφει με ακρίβεια την εξέλιξή του για να ακούσουμε τον “αντίλαλο” που επιστρέφει.
Αυτό το κβαντικό ηχώ είναι ιδιαίτερο, επειδή ενισχύεται από την εποικοδομητική συμβολή, ένα φαινόμενο όπου τα κβαντικά κύματα αθροίζονται και γίνονται ισχυρότερα. Αυτό κάνει τη μέτρηση εξαιρετικά ευαίσθητη.
Αυτή η υλοποίηση του αλγόριθμου Quantum Echoes είναι δυνατή χάρη στις εξελίξεις στον κβαντικό εξοπλισμό του τσιπ Willow. Πέρυσι, το Willow απέδειξε τη δύναμή του με το Random Circuit Sampling benchmark, ένα τεστ που έχει σχεδιαστεί για τη μέτρηση της μέγιστης πολυπλοκότητας κβαντικής κατάστασης. Ο αλγόριθμος Quantum Echoes αντιπροσωπεύει μια νέα κατηγορία πρόκλησης, επειδή προσομοιώνει ένα φυσικό πείραμα. Αυτό σημαίνει ότι αυτός ο αλγόριθμος δοκιμάζει όχι μόνο την πολυπλοκότητα, αλλά και την ακρίβεια στον τελικό υπολογισμό. Αυτός είναι ο λόγος που η Google το ονομάζει “επαληθεύσιμο κβαντικά”, που σημαίνει ότι το αποτέλεσμα μπορεί να συγκριθεί και να επαληθευτεί από έναν άλλο κβαντικό υπολογιστή παρόμοιας ποιότητας. Για να προσφέρει τόσο ακρίβεια όσο και πολυπλοκότητα, ο εξοπλισμός πρέπει να έχει δύο βασικά χαρακτηριστικά: εξαιρετικά χαμηλά ποσοστά σφαλμάτων και λειτουργίες υψηλής ταχύτητας.
Προς την εφαρμογή στον πραγματικό κόσμο
Οι κβαντικοί υπολογιστές θα παίξουν καθοριστικό ρόλο στη μοντελοποίηση φαινομένων της κβαντικής μηχανικής, όπως οι αλληλεπιδράσεις ατόμων και σωματιδίων και η δομή (ή το σχήμα) των μορίων. Ένα από τα εργαλεία που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες για να κατανοήσουν τη χημική δομή είναι ο Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός (NMR), η ίδια επιστήμη που βρίσκεται πίσω από την τεχνολογία MRI. Το NMR λειτουργεί ως μοριακό μικροσκόπιο, και είναι αρκετά ισχυρό ώστε να μας επιτρέπει να δούμε τη σχετική θέση των ατόμων, βοηθώντας μας να κατανοήσουμε τη δομή ενός μορίου. Η μοντελοποίηση του σχήματος και της δυναμικής των μορίων είναι θεμελιώδης στη χημεία, τη βιολογία και την επιστήμη των υλικών, ενώ οι εξελίξεις που μας επιτρέπουν να το κάνουμε καλύτερα υποστηρίζουν την πρόοδο σε τομείς που εκτείνονταιαπό τη βιοτεχνολογία και τη ηλιακή ενέργεια έως την πυρηνική σύντηξη.
Σε ένα πείραμα απόδειξης αρχής σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ, η Google εκτέλεσε τον αλγόριθμο Quantum Echoes στο τσιπ Willow, για να μελετήσουμε δύο μόρια, ένα με 15 άτομα και ένα άλλο με 28 άτομα, προκειμένου να επαληθεύσουμε αυτή την προσέγγιση. Τα αποτελέσματα στον κβαντικό υπολογιστή της Google αντιστοιχούσαν σε αυτά του παραδοσιακού NMR και αποκάλυψαν πληροφορίες που συνήθως δεν είναι διαθέσιμες από το NMR, κάτι που αποτελεί μια κρίσιμη επικύρωση της προσέγγισής μας.
Όπως το τηλεσκόπιο και το μικροσκόπιο άνοιξαν νέους, αόρατους κόσμους, έτσι και αυτό το πείραμα αποτελεί ένα βήμα προς ένα “κβαντοσκόπιο” ικανό να μετρήσει φαινόμενα που προηγουμένως ήταν μη παρατηρήσιμα. Το NMR, με ενίσχυση από κβαντικούς υπολογιστές, θα μπορούσε να εξελιχθεί σε ισχυρό εργαλείο για την ανακάλυψη φαρμάκων, βοηθώντας στον προσδιορισμό του τρόπου σύνδεσης πιθανών φαρμάκων με τους στόχους τους. Παράλληλα, μπορεί να υποστηρίξει την επιστήμη των υλικών για τον χαρακτηρισμό της μοριακής δομής νέων υλικών, όπως πολυμερών, εξαρτημάτων μπαταριών ή ακόμη και των υλικών που αποτελούν τα κβαντικά μας bit (qubit).
Ο Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός (NMR), ο φασματοσκοπικός συγγενής του MRI, αποκαλύπτει τη μοριακή δομή, ανιχνεύοντας τα μικροσκοπικά μαγνητικά “σπιν” στα κέντρα των ατόμων. Ο αλγόριθμος Quantum Echoes της Google παρουσιάζει τις δυνατότητες των κβαντικών υπολογιστών να μοντελοποιούν και να αποκαλύπτουν αποτελεσματικά τις περίπλοκες αλληλεπιδράσεις αυτών των σπιν, πιθανώς ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις. Καθώς ο κβαντικός υπολογισμός συνεχίζει να ωριμάζει, αυτές οι προσεγγίσεις θα μπορούσαν να βελτιώσουν τη φασματοσκοπία NMR, προσθέτοντας στο ισχυρό της εργαλειοστάσιο για την ανακάλυψη φαρμάκων και τον σχεδιασμό προηγμένων υλικών.
Ποιο είναι το επόμενο βήμα
Αυτή η επίδειξη του πρώτου επαληθεύσιμου κβαντικού πλεονεκτήματος με τον αλγόριθμo της Google Quantum Echoes, σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς τις πρώτες εφαρμογές κβαντικής υπολογιστικής στον πραγματικό κόσμο. Καθώς η εταιρεία προχωρά προς την ανάπτυξη ενός κβαντικού υπολογιστή πλήρους κλίμακας με διόρθωση σφαλμάτων, ανοίγει ο δρόμος για την ανακάλυψη ακόμη περισσότερων πρακτικών εφαρμογών στον πραγματικό κόσμο. Τώρα, η Google εστιάζει στην επίτευξη του ορόσημου 3 στον οδικό χάρτη εξοπλισμού κβαντικών υπολογιστών, ενός λογικού qubit με μεγάλη διάρκεια ζωής.
