Google on julkaissut tutkimuksen, joka saattaa merkitä uutta aikakautta kvanttilaskennassa. Yhtiön kehittämä Quantum Echoes -algoritmi on ensimmäinen, joka on todistetusti suorittanut laskennan, jota mikään klassinen supertietokone ei pysty käytännössä jäljittelemään. Tutkimus ilmestyi torstaina Nature-lehdessä, ja se esittelee kvanttialgoritmin, joka toimii Googlen Willow-kvanttisirulla. Laitteisto kykenee ratkaisemaan monimutkaisia molekyylirakenteita jopa 13 000 kertaa nopeammin kuin maailman tehokkaimmat supertietokoneet.
Kyse ei ole enää teoreettisesta läpimurrosta. Quantum Echoes -algoritmin tulokset ovat toistettavissa toisella kvanttikoneella, mikä tekee niistä tieteellisesti verifioitavia. Tätä ominaisuutta Google kutsuu verifiable quantum advantage – eli todennettavaksi kvanttiylivoimaksi. Se tarkoittaa, että laskentatulos ei ole satunnainen tai laitteistokohtainen, vaan se voidaan toistaa ja varmentaa eri kvanttilaitteilla. Tämä erottaa saavutuksen aiemmista “kvanttiylivoima”-julistuksista, joissa laskentatehtävät olivat keinotekoisia eivätkä tuottaneet käytännöllistä tietoa.
Algoritmi hyödyntää kvanttifysiikan ydintä: interferenssiä, eli aaltojen yhteisvaikutusta. Quantum Echoes toimii kuin “kvanttikaiku” – kokeessa kvanttijärjestelmään syötetään signaali, jonka kulkua häiritään yhdellä qubitilla, ja sitten kehitys käännetään täsmälleen taaksepäin. Lopulta mitataan, kuinka paljon alkuperäinen signaali palaa takaisin. Jos kvanttiaaltojen välille syntyy rakentavaa interferenssiä, kaiku vahvistuu ja paljastaa äärimmäisen tarkasti, miten tieto ja vuorovaikutukset leviävät kvanttijärjestelmässä. Tämä tekee algoritmista poikkeuksellisen herkän ja tarkan työkalun monimutkaisten kvanttidynamiikkojen tutkimiseen.
Teknisesti Quantum Echoes pohjautuu ns. out-of-time-order correlator -menetelmään (OTOC), jota fyysikot ovat pitkään pitäneet lupaavana tapana mitata kvanttijärjestelmien sisäistä kaoottisuutta ja korrelaatioita. Aiemmin OTOC-laskelmia ei ole kyetty suorittamaan käytännössä, koska ne vaativat valtavasti laskentatehoa. Googlen tiimi kuitenkin onnistui toteuttamaan algoritmin 105-qubittisella Willow-sirulla niin, että tulokset pysyivät stabiileina ja virheet hallittuina. Vertailun vuoksi supertietokone Frontier tarvitsisi saman laskennan suorittamiseen arviolta 3,2 vuotta, kun taas Willow suoriutui siitä reilussa kahdessa tunnissa.
Googlen tutkijoiden mukaan tämä on ensimmäinen kerta, kun kvanttitietokone ei ainoastaan osoita nopeusetua, vaan tekee sen fysikaalisesti merkityksellisessä kokeessa. Quantum Echoes kykenee mallintamaan todellisia ilmiöitä, kuten atomien välisten vuorovaikutusten etenemistä, ja se voi toimia pohjana uusille tavoille analysoida aineen rakenteita. Tutkimuksessa demonstroitiin, että algoritmi voi auttaa ratkaisemaan Hamiltonin oppimisongelmia – toisin sanoen selvittämään järjestelmän sisäisen energiarakenteen ja vuorovaikutukset, jotka määrittävät sen käyttäytymisen.
Käytännön sovelluksia on jo hahmoteltu. Quantum Echoes -menetelmää testattiin yhteistyössä Kalifornian yliopiston Berkeleyn kanssa, jossa sitä sovellettiin ydinmagneettiseen resonanssiin (NMR). Tätä käytetään laajasti kemian ja lääketieteen tutkimuksessa molekyylien rakenteen määrittämiseen. Googlen algoritmin avulla NMR-mittausten herkkyys parani, ja sen avulla pystyttiin analysoimaan molekyylejä, joiden atomiväliset etäisyydet ovat aiempaa pidempiä. Tällainen “molekyyliviivain” voi tulevaisuudessa auttaa ymmärtämään lääkeaineiden sitoutumista tai uusien materiaalien rakenteita tarkemmin kuin nykytekniikoilla on mahdollista.
Nykyään ja etenkin tulevaisuudessa avaruusjärjestelmillä on yhä tärkeämpi rooli ihmisten elämässä. Järjestelmät auttavat siirtymään paikasta toiseen, antavat tietoa säästä ja yhdistävät ihmisiä toisiinsa. Kaiken lisäksi avaruussovellukset ovat yhä tärkeämpi osa kansallisen turvallisuuden kriittistä infrastruktuuria.
