Quantum AI: перевага Google доведена
Вперше в історії дослідники продемонстрували, що квантовий комп’ютер може виконати алгоритм швидше, ніж будь-який класичний суперкомп’ютер. Цей прорив, здійснений завдяки квантовому процесору Willow від компанії Google, став великим кроком на шляху до практичного використання квантових обчислень у реальному світі: від розробки нових ліків до створення матеріалів.
Серцем відкриття став новий алгоритм Quantum Echoes, здатний з неймовірною точністю досліджувати приховану структуру природи. Подібно до того, як сонар посилає сигнал у глибини океану й вловлює відлуння, щоб дізнатись, що знаходиться на дні, Quantum Echoes надсилає квантовий сигнал у систему частинок, злегка її збурює, а потім “повертає час назад”, щоб зафіксувати відлуння, яке розкриває найтонші риси квантової поведінки.
Це відлуння не є звичайним відбиттям. Завдяки явищу, що називається конструктивною інтерференцією, квантові хвилі підсилюють одна одну, створюючи надзвичайно чутливі вимірювання. Вони дозволяють виявляти структуру молекул і навіть проливати світло на такі фундаментальні явища, як магнітні поля чи чорні діри.
Завдяки чіпу Willow алгоритм Quantum Echoes продемонстрував швидкість обчислень, яка перевищує можливості суперкомп’ютера Frontier у 13 000 разів – наразі це найпотужніша класична обчислювальна система у світі. В одному з експериментів алгоритм змоделював геометрію молекул, які містили до 28 атомів, досягнувши точності, яка не лише відповідала, а й перевищувала результати, отримані за допомогою традиційних методів ядерного магнітного резонансу (nuclear magnetic resonance, NMR).
Це перша в історії підтверджена квантова перевага: результат, який можна багаторазово відтворити та перевірити на іншому квантовому комп’ютері аналогічного рівня. Така повторюваність є критичною умовою для створення масштабованих і надійних квантових обчислень.
За цим проривом стоїть глибока теоретична робота над out-of-time-order correlator (OTOC) – складними математичними інструментами, які розкривають, як інформація поширюється у квантових системах. Коли дослідники застосували протоколи повторного зворотного часу (по суті, перемотування та відтворення квантової динаміки), вони виявили, що OTOC другого порядку (OTOC²) зберігали чутливість до фундаментальних фізичних процесів набагато довше, ніж передбачалося.
Ці квантові відлуння вищого порядку не тільки відкрили нові уявлення про квантову інтерференцію, але й досягли рівня складності, який класичні комп'ютери вже не можуть ефективно моделювати. Наприклад, для симулювання одного з експериментів з 65 кубітами суперкомп'ютеру знадобилося б понад три роки, тоді як квантовому процесору – лише кілька годин.
Окрім фундаментальної фізики, дослідники продемонстрували практичне застосування за допомогою метода, що має назву навчання Гамільтоніана (Hamiltonian learning). Він дозволяє відкривати фізичні закони, що керують певною системою, шляхом порівняння даних, виміряних на квантовому комп’ютері, із результатами квантового моделювання. У демонстраційному експерименті команда успішно визначила невідомий параметр у змодельованій молекулярній системі, що відкриває перспективи для створення нових матеріалів і вдосконалення хімічного аналізу.
Це досягнення вже задовольняє дві з трьох ключових умов практичної квантової переваги:
- Результати можна точно виміряти (з високим співвідношенням сигнал/шум).
- Їх неможливо змоделювати класичними методами з доступними ресурсами.
Третя умова – отримання практично корисних результатів – уже на горизонті. Потенційні напрями застосування охоплюють фізику твердого тіла, біохімію та енергетичні дослідження.
У міру розвитку квантового обладнання наслідки стають все більш масштабними. Алгоритм Quantum Echoes демонструє, що ми виходимо за межі лабораторних експериментів і рухаємося до квантових комп'ютерів, здатних вирішувати значущі наукові завдання, розкриваючи невидимі закономірності, що формують наш Всесвіт.