Googles Willow-chip kör kvantalgoritm 13 000 gånger snabbare än superdatorer: här är hur dess supraledande design gör det möjligt

Google har meddelat ett stort genombrott i sin strävan att uppnå användbar kvantdatorteknik. Företagets Willow-processor körde enligt uppgift en komplex Quantum Echoes-algoritm cirka 13 000 gånger snabbare än de nuvarande snabbaste klassiska superdatorerna.

Willow representerar ett betydande språng från Googles genombrott med Sycamore-chipet 2019. Till skillnad från det sistnämnda har det förstnämnda supraledande chippet ett värde i den verkliga världen. Det har visat sig kunna användas inom AI-utveckling, kemisk modellering och avancerad materialforskning, enligt de resultat som publicerats i Nature.

Så fungerar Googles supraledande kvantchip

Willow-chipet har 105 supraledande qubits (qubit är en förkortning för quantum bit, den grundläggande informationsenheten inom kvantdatorer; den liknar biten inom klassisk databehandling). Varje qubit fungerar som en låtsasatom och kan lagra information i superposition eller i flera tillstånd samtidigt.

När qubits sammanflätas (ett tillstånd där två eller flera qubits påverkar varandra oavsett avståndet mellan dem) överförs kvantinformation i realtid. Det gör att processorn kan analysera flera lösningar samtidigt.

Kvantsystem måste vara stabila för att upprätthålla en förutsägbar relation mellan sina kvanttillstånd över tid. Därför har Google konstruerat Willow så att den kan arbeta nära den absoluta nollpunkten, utan värme och vibrationsstörningar.

Chipets arkitektur är optimerad för hastighet och precision, och i experimentet rapporterades en trohet för single-qubit-grindar på 99,97 procent och sammanflätade grindar på 99,88 procent. Detta gör Willow idealisk för att köra storskaliga kvantalgoritmer.

(Gate fidelity är ett mått på hur en kvantgrind fungerar jämfört med dess ideala, felfria version. Ju närmare 100 procent, desto mer beter den sig som sin teoretiska modell)

Hur Google validerade Willows kvantdatorförmåga

Willow-projektet är speciellt på grund av dess verifierbarhet. Tack vare att Quantum Echoes-algoritmens resultat kunde valideras på olika maskiner eller under olika laboratorieförhållanden kunde Google uppfylla de viktigaste kraven för att hävda kvantöverlägsenhet.

Quantum Echoes-algoritmen hjälper forskare att modellera molekylära beteenden, kemiska bindningar och elektroniska strukturer mer exakt än klassiska simuleringar. Chipet drev en superdator som löste algoritmen och levererade resultat på en trettondels tusendel av den tid det skulle ta för en klassisk superdator.

Som Google-forskaren Tom O'Brien sa är Willows reproducerbarhet det som skiljer teoretiska och praktiska genombrott åt. Han sa: "Om vi inte kan bevisa att data är korrekta kan vi inte göra något med dem."

En annan forskare i projektet, nobelpristagaren Michel H. Devoret, som var den ledande fysikern, sa: "Vi visade att elektriska kretsar kan bete sig som atomer. Nu visar vi vad dessa artificiella atomer kan göra."

Vad betyder Googles genombrott för kvantdatorer i Willow för AI och vetenskap?

Willows supraledarchip kan bidra till att minska den tid som forskare behöver för att simulera biologiska system med en stor magnitud. Det har också potential att hantera scenarier där klassisk databehandling misslyckas med att generera korrekta dataset.

Googles processor kan också användas för att designa nya material och för att träna dataförbrukande AI-system. Om Willows genombrott valideras ytterligare kan det leda till att kvantberäkningar blir praktiskt genomförbara och skalbara för att lösa industriella problem.