Quantum AI: преимущество Google доказано
Впервые в истории исследователи продемонстрировали, что квантовый компьютер может выполнить алгоритм быстрее, чем любой классический суперкомпьютер. Этот прорыв, осуществленный благодаря квантовому процессору Willow от компании Google, стал большим шагом на пути к практическому использованию квантовых вычислений в реальном мире: от изобретения новых лекарств до создания материалов.
Сердцем открытия стал новый алгоритм Quantum Echoes, способный с невероятной точностью исследовать скрытую структуру природы. Подобно тому, как сонар посылает сигнал в глубины океана и улавливает эхо, чтобы узнать, что находится на дне, Quantum Echoes посылает квантовый сигнал в систему частиц, слегка ее тревожит, а затем “поворачивает время вспять”, чтобы зафиксировать эхо, которое раскрывает тончайшие черты квантового поведения.
Это эхо не является обычным отражением. Благодаря явлению, называемому конструктивной интерференцией, квантовые волны усиливают друг друга, создавая чрезвычайно чувствительные измерения. Они позволяют выявлять структуру молекул и даже проливать свет на такие фундаментальные явления, как магнитные поля или черные дыры.
Благодаря чипу Willow алгоритм Quantum Echoes продемонстрировал скорость вычислений, превышающую возможности суперкомпьютера Frontier в 13 000 раз – на данный момент это самая мощная классическая вычислительная система в мире. В одном из экспериментов алгоритм смоделировал геометрию молекул, которые содержали до 28 атомов, достигнув точности, которая не только соответствовала, но и превышала результаты, полученные с помощью традиционных методов ядерного магнитного резонанса (nuclear magnetic resonance, NMR).
Это первое в истории подтвержденное квантовое преимущество: результат, который можно многократно воспроизвести и проверить на другом квантовом компьютере аналогичного уровня. Такая повторяемость является критическим условием для создания масштабируемых и надежных квантовых вычислений.
За этим прорывом стоит глубокая теоретическая работа над out-of-time-order correlator (OTOC) – сложными математическими инструментами, которые раскрывают, как информация распространяется в квантовых системах. Когда исследователи применили протоколы повторного обратного времени (по сути, перемотки и воспроизведения квантовой динамики), они обнаружили, что OTOC второго порядка (OTOC²) сохраняли чувствительность к фундаментальным физическим процессам гораздо дольше, чем предполагалось.
Эти квантовые эхо высшего порядка не только открыли новые представления о квантовой интерференции, но и достигли уровня сложности, который классические компьютеры уже не могут эффективно моделировать. Например, для симуляции одного из экспериментов с 65 кубитами суперкомпьютеру понадобилось бы более трех лет, тогда как квантовому процессору – всего несколько часов.
Помимо фундаментальной физики, исследователи продемонстрировали практическое применение с помощью метода, называемого обучением Гамильтониана (Hamiltonian learning). Он позволяет открывать физические законы, управляющие определенной системой, путем сравнения данных, измеренных на квантовом компьютере, с результатами квантового моделирования. В демонстрационном эксперименте команда успешно определила неизвестный параметр в смоделированной молекулярной системе, что открывает перспективы для создания новых материалов и совершенствования химического анализа.
Это достижение уже удовлетворяет двум из трех ключевых условий практического квантового преимущества:
- Результаты можно точно измерить (с высоким соотношением сигнал/шум).
- Их невозможно смоделировать классическими методами с доступными ресурсами.
Третье условие – получение практически полезных результатов – уже на горизонте. Потенциальные направления применения охватывают физику твердого тела, биохимию и энергетические исследования.
По мере развития квантового оборудования последствия становятся все более масштабными. Алгоритм Quantum Echoes демонстрирует, что мы выходим за пределы лабораторных экспериментов и движемся к квантовым компьютерам, способным решать значимые научные задачи, раскрывая невидимые закономерности, которые формируют нашу Вселенную.