Google měří „kvantové ozvěny“ na kvantovém počítačovém čipu Willow

Google zkoumá kvantový chaos na svém nejvýkonnějším kvantovém počítačovém čipu

Podle A Garisto upravil Lee Billings

Kvantové počítače jsou stále v plenkách. V současné době omezeno na 100 nebo tak qubitů náchylných k chybám, kvantové ekvivalenty ke klasickým bitůmzdaleka nejsou špičkovými počítacími stroji, které jsou schopny přesně simulovat chemické reakce a další. Kvantoví teoretici a experimentátoři pracují v rámci těchto omezení, aby našli proveditelné úkoly pro jejich zařízení, aby prokázaly výhodu oproti výkonu klasických počítačů.

Výzkumníci ve společnosti Google strávili roky vývojem jednoho takového úkolu: měřením toho, jak se kvantové informace v průběhu času prolínají. Kvantové informace – jako je stav qubitu – se mohou rozprostřít a neuspořádaně, trochu jako když se vykřikované slovo stává nezřetelným, když cestuje na velké vzdálenosti.

„Různé systémy zakódují věci různými způsoby,“ říká Shenglong Xu, teoretik kvantové informace z Texaské univerzity A&M, který se na výzkumu Google nepodílel. „Jak se informace zpracovávají, vypovídá o povaze systému.“ Poznatky z kódování by mohly dokonce poskytnout podrobnosti, které by kvantovým technologům umožnily dosáhnout přesné molekulární simulace se svými stroji.

O podpoře vědecké žurnalistiky

Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceňované žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a nápadech, které formují náš dnešní svět.

V předtiskovém papíru, zveřejněno online v červnu ohlásil tým Google dosud nejpodrobnější měření zakódování informací, kterého bylo dosaženo pomocí 105-qubit Willow čip. Opakovaně zašifrovali informace, provedli malou úpravu a obrátili proces, dešifrovali informace. (Google nazval protokol „Quantum Echoes“, odkaz na ozvěnu opakujícího se procesu dekódování.) Měření týmu bylo ve skutečnosti tak složité, že s použitím současných algoritmů by klasický superpočítač byl mnohem pomalejší než Willow. Výsledky byly dnes zveřejněno v časopise Příroda.

The Příroda tři recenzenti listu byli obecně pozitivní ohledně technického úspěchu v anonymizovaných zprávách o vzájemném hodnocení, které Google sdílel Scientific American. Jeden z těchto recenzentů ocenil práci jako „skutečně působivou“ za „experimentální přístup k tak jemným kvantovým interferenčním efektům“. Rozhodčí se však rozcházeli ohledně míry, do jaké Google prokázal kvantovou výhodu v dobré víře.

Předchozí ukázky kvantové výhody byly překonány jak se klasické algoritmy zlepšily, tak jsou přihlížející opatrní. Úspěch týmu Google „zdá se, že je nad rámec toho, co nyní dokážeme pomocí klasických metod,“ říká Xu. „Je to velmi zajímavý příspěvek do oboru.“

Plavat jako Qubit

Chaos je pro klasický svět společný, protože klasické systémy mohou být vysoce citlivé na malé změny ve svých počátečních podmínkách. V kanonickém metaforickém příkladu mává motýl křídly v Brazílii a kaskádová sekvence atmosférických poruch vede k tornádu v Texasu.

Co se tedy stane s pověstným motýlem v kvantovém systému? „Vždy budou existovat malé (kvantové) fluktuace,“ říká Pieter Claeys, fyzik z Institutu Maxe Plancka pro fyziku komplexních systémů v Drážďanech v Německu, který se na nové studii nepodílel. Stejně jako klasický motýl mohou mít tyto fluktuace také následné účinky na zakódování informací v kvantovém systému.

Ke studiu toho, jak se kvantové informace zašifrují, vědci používají dešifrovací trik zvaný korelátor out-of-time-order (OTOC). Protokol OTOC zní asi takto: vezměte vyřešenou Rubikovu kostku a rozšiřte ji pomocí nastavené sekvence zvratů. Poté přidejte další kroucení a proveďte první sekvenci obráceně. První a poslední proces – kódování a dekódování – účinně ruší, což vám umožní prozkoumat účinky zkroucení uprostřed, vhodně nazývaného „motýlí operátor“. (To je někdy zavádějící označováno jako „převrácení času“. Čas se v tomto procesu ve skutečnosti neobrátí o nic víc, než když vyslovíte abecedu pozpátku.)

V roce 2021 Google prokázáno protokol OTOC na čipu Sycamore – 53-qubitový předchůdce Willow náchylnější k chybám. V tiskovém hovoru o nových výsledcích Willow popsal Hartmut Neven, vedoucí kvantového výpočetního úsilí Google, OTOC jako „měřítko toho, jak rychle se informace šíří ve vysoce propleteném systému“. Ve své práci v roce 2021 byli výzkumníci Google schopni podrobně pozorovat, jak se informace šíří napříč mřížkou qubitů Sycamore a od počátečního stavu se vlní směrem ven. I když byl zajímavý, výsledek byl dobře na dosah klasických superpočítačů.

Aby otestovali limity Willow se zdvojnásobeným počtem qubitů a zhruba dvojnásobnou věrností qubitů, vědci Google ji provedli pomocí zdvojeného protokolu OTOC: scramble, butterfly, unscramble, scramble, butterfly, unscramble. V analogii Rubikovy kostky tyto zdvojené kroky značně zvýšily složitost měření. Současně, protože to snížilo celkovou detekovatelnost motýla v kódovaném systému, složitost měření značně ztížila simulaci klasických počítačů. Výzkumníci Google odhadují, že klasickému superpočítači by trvalo tři roky, než by udělal to, co Willow za dvě hodiny. Někteří recenzenti nabádali k opatrnosti. Jak bylo uvedeno, četná tvrzení o kvantové výhodě –včetně jednoho od Googlu v roce 2019—se rozpadly, protože klasické algoritmy se zlepšily.

Na konci Příroda výzkumníci Google tvrdili, že „vzrušující aplikace v reálném světě“ používání OTOC pro molekulární simulace se objeví v budoucí práci.

Dnes tým Google začal plnit tento slib a zveřejnil první kroky svého procesu další předtisk. Vědci aplikovali na Willow protokol OTOC, aby odhadli klíčovou vlastnost systému organických molekul: vzdálenost mezi dvěma atomy vodíku. I když je simulační technika stále rodící se a není rychlejší než klasické přístupy, zdá se, že souhlasí s experimentálními výsledky.

Praktické aplikace kvantově mechanicky přesné chemie nejsou jedinými zajímavými aspekty nejnovějšího výsledku. Fyzici, jako je Xu, jsou zvědaví na to, co zdvojnásobené nebo ztrojnásobené protokoly OTOC mohou říci o kódování informací.

OTOC mohou být dokonce klíčem k záhadě v srdci fyziky: Co se děje s informacemi uvnitř černé díry? „Lidé začali uvažovat o informačním kódování a dynamice informací v kontextu fyziky černých děr,“ říká Laura Cui, Ph.D. student zkoumající kvantové informace na California Institute of Technology. „Jsme velmi na cestě k vyřešení pomocí těchto nástrojů z teorie informace.“

Je čas postavit se za vědu

Pokud se vám tento článek líbil, rád bych vás požádal o podporu. Scientific American sloužil jako obhájce vědy a průmyslu již 180 let a právě teď může nastat nejkritičtější okamžik v této dvousetleté historii.

Byl jsem a Scientific American předplatitel od mých 12 let a pomohlo mi to utvářet můj pohled na svět. SciAm vždy mě vzdělává a těší a vzbuzuje úctu k našemu obrovskému, krásnému vesmíru. Doufám, že to udělá i vám.

Pokud vy přihlásit se k odběru Scientific Americanpomáháte zajistit, aby se naše pokrytí soustředilo na smysluplný výzkum a objevy; že máme zdroje na podávání zpráv o rozhodnutích, která ohrožují laboratoře v USA; a že podporujeme začínající i pracující vědce v době, kdy hodnota samotné vědy příliš často zůstává nepoznaná.

Na oplátku získáte zásadní zprávy, strhující podcastyskvělá infografika, nepřehlédnutelné newsletteryvidea, která musíte vidět, náročné hrya nejlepší vědecké psaní a zpravodajství. Můžete dokonce darovat někomu předplatné.

Nikdy nebyl důležitější čas, abychom vstali a ukázali, proč na vědě záleží. Doufám, že nás v této misi podpoříte.