Google oznámil kvantový prelom. Toto je okamih, na ktorý vedci čakali tri desaťročia. Čip Willow prekonal superpočítače 13-tisíckrát
Kvantový čip Willow od Googlu má na konte ďalší rekord, dokázal až o 13-tisíckrát prekonať výkonom aj tie najvýkonnejšie superpočítače.
Kvantové počítače doteraz pôsobili ako technológia budúcnosti, ktorá sa stále zasekávala na vlastných chybách. Teraz sa to zmenilo. Google oznámil, že jeho kvantový čip Willow dokázal spustiť algoritmus, ktorý bežné superpočítače prekonal viac ako 13-tisíckrát. Navyše ho dokázal opakovane overiť. To znamená, že výsledok nie je jednorazová náhoda, ale verifikovaný výpočet, ktorý sa dá zopakovať na inom kvantovom zariadení.
Podľa výskumného tímu ide o prvý verifikovateľný kvantový prelom v histórii a zároveň o algoritmus, ktorý má reálny vedecký význam.
Od testu náhody k reálnemu výpočtu
V roku 2019 Google ako prvý preukázal tzv. kvantovú nadradenosť (Quantum Supremacy). Jeho čip dokázal vyriešiť matematický problém, ktorý by klasickému superpočítaču trval tisíce rokov. Kritici však upozorňovali, že išlo o čisto technický test bez praktického využitia.
Nový algoritmus Quantum Echoes je iný. Ide o implementáciu OTOC (Out-of-Time-Order Correlator), teda nástroja, ktorý sa v teoretickej fyzike používa na meranie toho, ako rýchlo sa informácie „miešajú“ v kvantovom systéme, teda ako rýchlo vzniká chaos a dekoherencia.
Úspešné spustenie OTOC na reálnom hardvéri je zásadným dôkazom, že kvantový počítač dokáže presne simulovať dynamiku skutočných kvantových systémov, od molekúl po magnetické polia. Kým predošlé prelomy boli hardvérové, tento je čisto algoritmický, a práve preto má taký význam pre praktické aplikácie vo fyzike a chémii.
Neprehliadni
Quantum Echoes, doslova „kvantové ozveny“ nie sú len poetický názov. Vedci vysielajú do systému signál, následne narušia jeden qubit a potom zvrátia jeho vývoj. Ak je systém stabilný a kvantová interferencia funguje správne, signál sa vráti ako „echo“. Z tvaru a sily tejto ozveny možno určiť, ako sa informácie v systéme rozptýlili. Teda či išlo o chaos, alebo o kontrolovanú interakciu.
To, že sa echo dá zopakovať s rovnakým výsledkom, je jadrom tzv. verifikovateľnej kvantovej výhody. Výsledok možno overiť aj na inom kvantovom zariadení, čo odlišuje tento experiment od všetkých predošlých.
Čipy novej generácie
Willow je nová generácia čipov od Google Quantum AI. Minulý rok už preukázal dramatické zníženie chybovosti a zvládol test zložitosti Random Circuit Sampling. Tentoraz však ide o skutočný vedecký výpočet, ktorý spája presnosť a kvantovú komplexitu, dve vlastnosti, ktoré sa doteraz považovali za nezlučiteľné.
Aby to fungovalo, Willow musel zvládnuť extrémne rýchle a presné operácie na 105 qubitoch s minimálnym šumom. To je dôležité aj preto, že kvantové systémy fungujú v tzv. NISQ ére (Noisy Intermediate-Scale Quantum), teda v prechodnej fáze, kde sú výpočty ešte „hlučné“. Google však dokázal, že aj v tejto ére je možné dosiahnuť spoľahlivé, overiteľné výsledky, čo naznačuje, že prvé praktické aplikácie kvantového výpočtu nemusia čakať na plne „chybám odolné“ procesory s miliónmi qubitov.
Google svoj algoritmus hneď otestoval aj na praktickom probléme. V spolupráci s Kalifornskou univerzitou v Berkeley použili Quantum Echoes na výpočet štruktúry dvoch molekúl, jednej s 15 atómami a druhej s 28. Výsledky sa zhodovali s meraniami z nukleárnej magnetickej rezonancie (NMR), no priniesli aj nové údaje, ktoré NMR zvyčajne nezachytí.
Tím predstavil nový prístup nazývaný „molekulárne pravítko“, ktoré dokáže merať vzdialenosti medzi atómami až na 2,5 nanometra. V prostredí NMR je to obrovský skok, rozšírenie merateľného rozsahu, ktoré otvára dvere k štúdiu väčších a zložitejších biomolekúl. Takáto presnosť môže zásadne ovplyvniť vývoj liekov, analýzu väzieb v proteínoch či návrh nových materiálov.
Simulácie sa posúvajú ku skutočným aplikáciám
Význam experimentu spočíva v tom, že Quantum Echoes modeluje reálne kvantové správanie prírody, nie umelo vytvorený matematický problém. To znamená, že kvantové počítače sa začínajú približovať k svojmu pôvodnému cieľu: presne simulovať svet, ktorý klasické počítače nedokážu pochopiť.
Vedci tvrdia, že táto technológia by mohla výrazne pomôcť v oblastiach ako farmaceutický výskum, návrh batérií, solárne články či jadrová syntéza. Podobne ako mikroskop kedysi odhalil bunkový svet, kvantový čip Willow začína odhaľovať mikrosvet molekúl a energie.
Google priznáva, že Willow zatiaľ nie je „nesmrteľný“ čip, teda nie je úplne odolný voči chybám. To si vyžiada ďalší vývoj v oblasti kódov na opravu chýb, ktoré umožnia výpočty trvajúce hodiny či dni bez straty presnosti.
Napriek tomu je Quantum Echoes kľúčový dôkaz, že cesta k praktickému kvantovému počítaniu sa otvorila. Po prvýkrát v histórii sa algoritmus, ktorý má vedecký zmysel, podarilo spustiť, overiť a zopakovať na reálnom hardvéri – a to je presne moment, na ktorý výskumníci čakali tri desaťročia.
Kvantová éra sa práve začala
Z laboratória Google tak prichádza správa, ktorá mení pravidlá hry. Quantum Echoes ukázal, že kvantové počítače už nie sú len experimentom. Sú nástrojom, ktorý dokáže vidieť do štruktúry hmoty s presnosťou, akú klasická fyzika nedokáže napodobniť. Ak bol rok 2019 začiatkom éry „kvantovej nadradenosti“, potom rok 2025 otvára éru kvantovej dôveryhodnosti – čas, keď kvantové výpočty prestávajú byť hypotézou a stávajú sa vedou, ktorá mení spôsob, akým rozumieme svetu.
