Google Quantum AI Deep Dive 2025: Průlom v čipech Willow a závod o kvantovou nadvládu
⚡ TL;DR - Klíčové závěry
- Vrbový čip: 105-qubitový supravodivý procesor dosáhl exponenciálního snížení chyb - první systém, který překročil podprahovou bariéru korekce chyb
- Algoritmus kvantových ozvěn: Prokázané 13 000× zrychlení oproti superpočítači Frontier při simulaci fyziky - ověřitelná kvantová výhoda.
- Vzorkování náhodných obvodů (RCS): Dokončení benchmarku za méně než 5 minut oproti 10 septilliónům let u klasických počítačů.
- Pětistupňový plán: Jasný rámec od objevu k reálnému nasazení - s cílem praktického využití do konce roku 2020.
- Integrace služby Cirq a Google Cloud: Open-source framework Python s přístupem ke cloudu demokratizuje kvantový vývoj
- Odhady na období 2026-2029: Zaměření na kvantové snímání, vědu o materiálech a objevování léků se systémy odolnými proti poruchám do konce desetiletí.
Kvantové ozvěny: Kvantové kvantové jevy: směrem k reálným aplikacím - Google Quantum AI Official (6:41)
🎯 Sekce 1: Čip Willow - překonání bariéry korekce chyb
1.1 Od platanu k vrbě: Kvantový vývoj společnosti Google
Za pět let od Sycamore dosáhl v roce 2019 kvantové převahy, Quantum AI neúnavně směřuje k praktickým kvantovým počítačům odolným vůči poruchám. V prosinci 2024 bude odhalen Willow - Nejnovější 105-qubitový supravodivý procesor společnosti Google - představuje přelomový okamžik na této cestě: poprvé se podařilo dosáhnout kvantového systému. exponenciální redukce chyb s rostoucí velikostí.
Tento průlomový objev, publikovaný v časopise Příroda, představuje vyvrcholení desetiletí teoretické práce na kvantové korekci chyb. Willow dosáhl podprahová hodnota oprava chyb znamená, že když Google přidává další qubity a vytváří tak větší logické qubity, počet chyb se exponenciálně snižuje, nikoli zvyšuje - což je základní požadavek pro budování kvantových počítačů s odolností proti chybám v řádu milionů qubitů.
(supravodivý)
(Kvantové ozvěny)
vs 5 minut (Quantum)
(Stav techniky)
1.2 Technická architektura: Jak Willow funguje
Supravodivé qubity: Willow využívá supravodivé qubity typu transmon ochlazené na 15 milikelvinů - chladnější než vesmír - k využití kvantově mechanických efektů. Každý qubit je malá supravodivá smyčka přerušená Josephsonovým přechodem, která tvoří anharmonický oscilátor, jenž může existovat v superpozici.
Oprava chyb povrchového kódu: Tým Willow implementoval dva logické qubity s povrchovým kódem vzdálenosti 7 a vzdálenosti 5 a prokázal, že větší logické qubity (d=7 se 49 datovými qubity) vykazují poloviční chybovost menších (d=5 s 25 datovými qubity). Toto exponenciální zlepšení je svatým grálem kvantové opravy chyb - znamená, že škálování funguje.
🔑 Klíčový průlom: Dekódování v reálném čase
Dekodér pro korekci chyb Willow pracuje v režimu v reálném čase - dokáže identifikovat a opravit chyby rychleji, než se nahromadí. Systém používá vlastní dekodér v reálném čase který zpracovává měření syndromů s mikrosekundovou latencí, což je nezbytné pro udržení logické koherence qubitů během dlouhých výpočtů.
Zlepšení kvality Qubit: Willow dosahuje koherenční doby T1 blížící se 100 mikrosekundám, což je oproti předchozím generacím ~50 mikrosekund. Chybovost dvouqubitových hradel se pohybuje kolem mediánu 0,15%, přičemž nejlepší hradla dosahují 0,10% - blíží se prahové hodnotě povrchového kódu ~1%.
1.3 Náhodné vzorkování obvodů: 3.1.1. Konečné měřítko
Aby společnost Google demonstrovala výpočetní výkon systému Willow. Vzorkování náhodných obvodů (RCS) benchmark - problém speciálně navržený tak, aby byl obtížný pro klasické počítače, ale řešitelný pro kvantové systémy. Willow dokončil výpočet RCS v roce do 5 minut, což je úkol, na který by stačil nejrychlejší superpočítač na světě. 10 septillionů (1025) let - mnohem delší, než je stáří vesmíru.
Nejde jen o salónní trik. RCS slouží jako přísný zátěžový test kvantového hardwaru, který vyžaduje přesnou kontrolu nad všemi qubity současně při zachování kvantové koherence v průběhu celého výpočtu. Schopnost společnosti Google provozovat RCS v tomto měřítku ukazuje, že Willow překročil kritickou hranici v oblasti kvantového řízení.
Kvantový počítač společnosti Google dosáhl průlomu - zpravodajství CBS (2:59)
🚀 Oddíl 2: Kvantové ozvěny - ověřitelná kvantová výhoda
2.1 Za hranicí kvantové nadřazenosti: Aplikace v reálném světě
Zatímco kvantová nadřazenost (nyní často nazývaná "kvantová výhoda") prokázala, že kvantové počítače mohou překonat klasické systémy na úrovni některé úkoly, kritici poukazovali na to, že RCS nemá žádné praktické využití. V říjnu 2025 bylo oznámeno Kvantové ozvěny mění vše: Google předvedl ověřitelná kvantová výhoda ve vědecky užitečném problému..
Algoritmus Quantum Echoes simuluje dynamiku kvantových systémů za účelem měření korelátory mimo časový řád (OTOC) - veličina, která ukazuje, jak se kvantová informace v systémech mnoha těles šifruje. Tento problém se přímo týká:
- Spektroskopie nukleární magnetické rezonance (NMR): Rozšíření technik NMR o zkoumání komplexní molekulární dynamiky
- Fyzika kondenzovaných látek: Porozumění kvantovému chaosu a termalizaci v materiálech
- Výzkum kvantové gravitace: Studium informačních paradoxů černých děr a holografické duality
- Objevování léků: Simulace skládání proteinů a molekulárních interakcí
(Willow Processor)
(Hranice v ORNL)
(Ověřitelné)
(Simulace OTOC)
2.2 Vědecká podstata kvantových ozvěn
Algoritmus Quantum Echoes využívá ochrana symetrie a po výběru techniky pro zesílení kvantového signálu interferenčních efektů OTOC(2). Zde je vysvětleno, proč je tak silný:
- Ověřitelnost: Na rozdíl od RCS mohou klasické počítače ověřovat výsledky Quantum Echoes na menších instancích, což poskytuje jistotu při větších výpočtech.
- Vědecká užitečnost: Algoritmus řeší problémy, které fyziky skutečně zajímají, ne syntetické benchmarky.
- Škálovatelnost: Exponenciální kvantová výhoda roste s velikostí problému, takže větší kvantové systémy jsou stále cennější.
- Robustnost: Algoritmus je odolný vůči šumu a dosahuje poměru signál/šum 2-3 i na šumovém kvantovém hardwaru střední velikosti (NISQ).
V říjnu 2025 proběhla demonstrace Quantum Echoes na 65-qubitová podmnožina procesoru Willow, který simulaci dokončil za 2,1 hodiny oproti 3,2 roku u superpočítače Frontier v Oak Ridge National Laboratory - nejrychlejšího klasického superpočítače na světě. Klíčové je, že Google mohl ověřit kvantové výsledky s klasickými simulacemi na menších instancích, což potvrdilo přesnost.
"Quantum Echoes představuje první případ, kdy jsme dosáhli ověřitelné kvantové výhody ve vědecky užitečném problému. Je to okamžik, na který obor čekal - kvantové počítače řeší skutečné problémy rychleji než klasické systémy, a to s výsledky, kterým můžeme věřit."
- Hartmut Neven, ředitel společnosti Google Quantum AI
2.3 Důsledky pro krátkodobé aplikace
Průlom v oblasti kvantových ozvěn otevírá dveře k. praktická kvantová výhoda v období 2026-2029. pro konkrétní aplikace:
- Věda o materiálech: Simulace fázových přechodů a exotických kvantových materiálů
- Objevování léků: Modelování interakcí mezi proteiny a ligandy a reakčních drah
- Kvantová chemie: Výpočet molekulárních vlastností pro katalýzu a skladování energie
- Fyzika kondenzovaných látek: Porozumění vysokoteplotní supravodivosti a topologickým materiálům
Společnost Google odhaduje, že kvantově zesílená NMR spektroskopie by se mohly stát praktickými do pěti let a umožnit farmaceutickým společnostem zkoumat molekulární strukturu a dynamiku způsobem, který je klasickými metodami nemožný.
Kvantový počítač společnosti Google právě změnil vše - je 13 000× rychlejší než superpočítače! (3:15)
🗺️ Sekce 3: Pětistupňová mapa ke kvantové užitečnosti
3.1 Rámec společnosti Google pro vývoj kvantových aplikací
V listopadu 2025 společnost Google Quantum AI zveřejnila pětistupňový rámec nastínění cesty od abstraktních kvantových algoritmů k reálným aplikacím. Tento plán, podrobně popsaný v arXiv:2511.09124poskytuje dosud nejkomplexnější vizi přechodu kvantové výpočetní techniky z výzkumných laboratoří do produkčního prostředí.
Cíl: Vývoj nových kvantových algoritmů, které nabízejí teoretické exponenciální nebo polynomiální zrychlení oproti klasickým metodám.
Stav: Stovky publikovaných algoritmů; mezi hlavní milníky patří Shorův algoritmus (faktoring), Groverův algoritmus (vyhledávání), HHL algoritmus (lineární systémy) a variační kvantové eigensolvery (VQE) pro chemii.
Výzvy: Mnoho algoritmů vyžaduje hardware odolný vůči poruchám; není jasné, který z nich se v praxi osvědčí.
Cíl: Určit konkrétní případy problémů, u kterých lze prokázat a ověřit kvantovou výhodu oproti klasickým metodám.
Stav: ✅ Dosaženo s Quantum Echoes (říjen 2025): První ověřitelná kvantová výhoda na vědecky užitečném problému - simulace OTOC s 13 000× zrychlením.
Klíčové poznatky: Zaměřte se na problémy, u nichž lze kvantové výsledky ověřit klasicky na menších instancích, a poté je škálujte do režimů, kde je klasická simulace nemožná.
Cíl: Propojte případy problémů ve fázi II s konkrétními reálnými případy použití, které přinášejí ekonomickou nebo vědeckou hodnotu.
Stav: 🔄 Probíhá: Quantum Echoes umožňuje rozšíření NMR spektroskopie; vzniká partnerství v oblasti farmaceutických a materiálových věd.
Výzva: "Znalostní propast" mezi tvůrci kvantových algoritmů a odborníky na danou oblast (chemiky, materiálovými vědci, konstruktéry léčiv). AI se zkoumá jako most pro skenování literatury a identifikaci souvislostí.
Časová osa: Společnost Google odhaduje, že první reálné aplikace kvantových výhod budou k dispozici za 5 let (2030) pro kvantově vylepšené snímání a molekulární simulace.
Cíl: Proveďte podrobný odhad zdrojů - kolik logických qubitů, hradel, doby běhu a chybovosti je potřeba pro produkční nasazení.
Příklad: Simulace FeMoco (železo-molybdenový kofaktor v enzymu nitrogenáze) pro aplikace hnojiv původně vyžadovala 1011 Toffoliho brány a 109 fyzických qubitů (odhady z roku 2010). Do roku 2025 se tento počet díky zdokonaleným algoritmům snížil na 108-109 brány a 106 qubitů - stále ještě skličující, ale blížící se realizovatelnosti.
Zaměření: Optimalizace algoritmů, kompilace obvodů, výběr kódu pro opravu chyb, společný návrh hardwaru a softwaru.
Časová osa: polovina 20. až začátek 20. století, kdy budou spuštěny systémy odolné vůči poruchám.
Cíl: Integrace kvantových počítačů do produkčních pracovních postupů spolu s klasickými HPC, cloudovou infrastrukturou a softwarovými balíčky specifickými pro danou oblast.
Požadavky: Kvantitativní výhoda celé end-to-end aplikace (nikoliv pouze výpočetního podprogramu); škálovatelný přístup prostřednictvím cloudových API; vyškolená pracovní síla; regulační rámce.
Stav: 🔮 Budoucnost (2030): Do fáze V zatím nedospěla žádná žádost. Google Quantum AI, IBM Quantum a další dodavatelé budují cloudovou infrastrukturu v očekávání.
3.2 Přístup "Algoritmus na prvním místě"
Plán společnosti Google klade důraz na strategie vývoje zaměřená na algoritmy: začněte etapou II (nalezení ověřitelné kvantové výhody na případech problémů), místo abyste rovnou přešli k etapě III identifikace případů užití. Proč?
- Ověřování je velmi důležité: Bez možnosti ověřit kvantové výsledky jim nemůžete důvěřovat v aplikacích s vysokými nároky.
- Existují mezery ve znalostech: Kvantoví výzkumníci často postrádají odborné znalosti v dané oblasti a naopak - hledání souvislostí vyžaduje systematický průzkum.
- Na náhodě záleží: Některé z nejlepších aplikací mohou vycházet z neočekávaných spojení (např. kvantové ozvěny umožňující rozšíření NMR nebylo a priori zřejmé).
- Odhady zdrojů se vyvíjejí: Optimalizace ve fázi IV může řádově snížit požadavky na zdroje, takže dříve nemožné aplikace jsou realizovatelné.
🤝 Překlenutí mezery ve znalostech pomocí AI
Společnost Google zkoumá možnosti využití rozsáhlých jazykových modelů (LLM) k překlenutí mezery ve znalostech mezi výzkumníky kvantových algoritmů a odborníky na danou oblast. Doufá, že trénováním systémů AI na skenování literatury z oblasti fyziky, chemie a materiálových věd se jim podaří automaticky identifikovat souvislosti mezi kvantovými algoritmy (fáze II) a problémy reálného světa (fáze III). Tato iniciativa "AI pro objevování kvantových aplikací" představuje inovaci na metaúrovni vývoje kvantových počítačů.
💻 Oddíl 4: Softwarový zásobník - Cirq a platforma Google Quantum AI
4.1 Cirq: Kvantový framework společnosti Google s otevřeným zdrojovým kódem
Cirq je knihovna Pythonu společnosti Google pro psaní, simulaci a spouštění kvantových obvodů na kvantových procesorech Google a dalším podporovaném hardwaru. Knihovna Cirq, která byla vydána v roce 2018 a aktivně vyvíjena do roku 2025, se stala jedním z nejpopulárnějších frameworků pro kvantové programování vedle Qiskit od IBM a PyQuil od Rigettiho.
Klíčové vlastnosti:
- Podpora nativní sady bran: Cirq je navržen pro kvantový hardware blízké budoucnosti, s nativní podporou sad hradel používaných v supravodivých procesorech Google (např. √iSWAP, hradla sycamore).
- Realistické modelování šumu: Vestavěné modely šumu pro supravodivé qubity, včetně dekoherence T1/T2, chyb hradel a chyb měření.
- Sestavení vlastního obvodu: Jemná kontrola nad sestavováním obvodů a optimalizací pro konkrétní hardwarové topologie.
- Integrace s TensorFlow Quantum: Bezproblémové propojení s TensorFlow Quantum pro hybridní kvantově-klasické strojové učení
- Přístup ke cloudu: Přímá integrace s kvantovými procesory Google Quantum AI prostřednictvím Google Cloud
| Rámec | Společnost | Primární hardware | Jazyk | Klíčové silné stránky |
|---|---|---|---|---|
| Cirq | Supravodivé qubity (Sycamore, Willow) | Python | Zaměření na NISQ v blízké budoucnosti; integrace TensorFlow; realistické modely šumu | |
| Qiskit | IBM | Supravodivé qubity (Heron, Condor) | Python | Největší ekosystém; rozsáhlá knihovna algoritmů; přístup ke cloudu |
| PennyLane | Xanadu | Photonic (Borealis); agnostické pluginy | Python | Zaměření na kvantové strojové učení; autodifuze; hardwarová agnosticita |
| Q# | Microsoft | Topologické qubity (budoucnost); simulátory | Q# (C#-like) | Zaměření na odolnost proti poruchám; odhad prostředků; integrace se službou Azure |
| Braket SDK | Amazon | Hardwarová agnosticita (IonQ, Rigetti, OQC) | Python | Přístup k více dodavatelům; ekosystém AWS; cena za jednotlivé úkony |
4.2 Platforma Google Quantum AI: Přístup ke cloudu
Výzkumníci a vývojáři mají přístup ke kvantovým procesorům společnosti Google prostřednictvím Google Cloud pomocí Cirq. Od roku 2025 Google poskytuje:
- Kvantová výpočetní služba: Přístup API ke kvantovým procesorům Google s přidělováním na základě kvót
- Kvantové simulátory: Vysoce výkonné klasické simulátory pro obvody do ~30-40 qubitů
- Výzkumná partnerství: Google Quantum AI spolupracuje s akademickými institucemi a společnostmi na poskytování vyhrazeného času kvantového procesoru pro výzkumné projekty.
- Vzdělávací zdroje: Výukové programy, codelabs a výukové materiály pro vzdělávání v oblasti kvantové informatiky
Na rozdíl od otevřené kvantové sítě IBM (která poskytuje volný veřejný přístup k některým systémům) je přístup společnosti Google ke kvantovému hardwaru omezenější a obvykle vyžaduje partnerství ve výzkumu nebo komerční dohody. Google to však kompenzuje rozsáhlými vzdělávacími zdroji a přístupem k simulátorům.
4.3 Kampus Quantum AI: Infrastruktura ve velkém měřítku
Google Kampus Quantum AI v kalifornské Santa Barbaře je jedním z nejpokročilejších kvantových výpočetních zařízení na světě. Areál, který byl odhalen v roce 2021 a bude rozšiřován až do roku 2025, nabízí:
- Vyhrazené výrobní zařízení: Čisté prostory pro výrobu supravodivých qubitů na zakázku optimalizované pro rychlou výrobu prototypů
- Kryogenní infrastruktura: Desítky ředicích chladičů chladících kvantové procesory na 15 milikelvinů.
- Řídicí elektronika: Systémy řízení teploty v místnosti se zpětnou vazbou v reálném čase pro korekci chyb
- Integrace datového centra: Souběžně umístěné klasické HPC pro hybridní kvantově-klasické algoritmy a simulace
Kampus představuje investice do infrastruktury v hodnotě více než $1 miliard a zaměstnává stovky výzkumníků, inženýrů a techniků, kteří pracují na kvantovém hardwaru, softwaru, algoritmech a aplikacích.
Jak naprogramovat kvantový počítač pomocí programu Cirq - výukový program technologie IBM (6:00)
🔮 Oddíl 5: Projekce pro roky 2026-2029 - cesta k odolnosti proti poruchám
5.1 Hardwarový plán: Za hranicí Willow
Ačkoli společnost Google veřejně nezveřejnila podrobný plán hardwaru po uvedení systému Willow (na rozdíl od podrobného plánu IBM Nighthawk → Kookaburra → Cockatoo → Starling), analytici a publikace společnosti Google naznačují následující trajektorii:
Cíl: Demonstrace 10-20 logických qubitů pracujících současně s podprahovou korekcí chyb.
Hardware: ~500-1000 fyzických qubitů procesor optimalizovaný pro povrchový kód; vylepšená konektivita pro destilaci magického stavu.
Milník: Provozování algoritmů odolných proti poruchám v malém měřítku (např. kvantový odhad fáze na malých molekulách) s logickými qubity.
Cíl: Vyvinout modulární kvantovou výpočetní architekturu s více propojenými kvantovými procesory.
Hardware: Kvantové propojení umožňující komunikaci mezi jednotlivými kvantovými procesory; každý modul obsahuje 100-500 qubitů.
Milník: Demonstrovat distribuované kvantové výpočty s logickými qubity sdílenými napříč moduly.
Cíl: Dosáhněte více než 100 logických qubitů schopných spouštět vědecky užitečné algoritmy odolné vůči poruchám.
Hardware: více než 10 000 fyzických qubitů s pokročilými kódy pro opravu chyb (případně nad rámec povrchových kódů; např. kódy s nízkou hustotou paritní kontroly).
Aplikace: Simulace kvantové chemie pro objevování léčiv; materiálové vědy; optimalizační problémy v logistice a financích.
5.2 Vývoj algoritmu: Od NISQ k algoritmu odolnému vůči poruchám
Strategie společnosti Google pro vývoj algoritmů překlenuje mezeru mezi kvantovými zařízeními se střední úrovní šumu (NISQ), jako je Willow, a budoucími systémy odolnými proti poruchám:
- 2025-2026: Aplikace NISQ: Zaměření na variační kvantové algoritmy (VQA), které jsou odolné vůči šumu: variační kvantové eigensolvery (VQE), kvantový aproximativní optimalizační algoritmus (QAOA), aplikace kvantového strojového učení (QML).
- 2026-2027: NISQ s chybami: Kombinace hardwaru NISQ s technikami zmírňování chyb (extrapolace s nulovým šumem, pravděpodobnostní rušení chyb) pro rozšíření užitečnosti bez úplné korekce chyb.
- 2027-2029: Včasná odolnost vůči poruchám: Provozování algoritmů odolných proti poruchám v malém měřítku na 10-100 logických qubitech: kvantový odhad fáze, simulace kvantové chemie, kvantové vyhledávání ve strukturovaných problémech.
- 2029+: Odolnost vůči poruchám v užitkovém měřítku: Cílové problémy vyžadující 100-1000 logických qubitů: kryptografie (Shorův algoritmus), objevování materiálů, návrh léků, finanční modelování.
5.3 Oblasti zaměření aplikací
Na základě pětistupňové cestovní mapy společnosti Google a průlomu v oblasti Quantum Echoes určuje společnost pro období 2026-2029 jako prioritní následující vertikální aplikace:
(Molekulární simulace)
(Catalyst Design)
(Skládání proteinů)
(Zlepšení NMR)
Kvantové snímání (2026-2030)
Algoritmus Quantum Echoes přímo umožňuje kvantově zesílenou NMR spektroskopii pro farmaceutický výzkum a vývoj. Google odhaduje, že by se tato aplikace mohla stát komerčně životaschopnou do pěti let a umožnit farmaceutickým společnostem zkoumat molekulární struktury s nebývalou citlivostí.
Věda o materiálech (2027-2031)
Simulace materiálů na kvantové úrovni (supravodiče, topologické materiály, katalyzátory) vyžaduje řešení složitých problémů elektronické struktury. Společnost Google spolupracuje se společnostmi zabývajícími se materiálovou vědou, aby identifikovala cílové molekuly, u nichž kvantová simulace nabízí výhody oproti klasickým výpočtům teorie funkcionálu hustoty (DFT).
Objevování léčiv (2028-2032)
Modelování vazebných interakcí mezi proteiny a ligandy, předpovídání vlastností molekul léčiv a simulace biochemických reakčních drah jsou velkými výzvami ve výpočetní biologii. Společnost Google spolupracuje s farmaceutickými partnery na vývoji kvantových algoritmů pro tyto problémy, ačkoli většina aplikací vyžaduje systémy odolné proti poruchám s více než 100 logickými qubity.
Optimalizace (2029+)
Zatímco QAOA (kvantový aproximativní optimalizační algoritmus) může běžet na hardwaru NISQ, dosažení kvantové výhody v reálných optimalizačních problémech (logistika, optimalizace portfolia, dodavatelský řetězec) pravděpodobně vyžaduje systémy odolné proti poruchám. Společnost Google zkoumá hybridní kvantově-klasické přístupy ve spolupráci se zákazníky služby Google Cloud.
5.4 Konkurenční prostředí: Google vs. IBM vs. Atom Computing vs. IonQ
| Společnost | 2025 Stav | Plán na období 2026-2029 | Klíčové silné stránky | Výzvy |
|---|---|---|---|---|
| Google Quantum AI | Vrba 105 qubitů; podprahová QEC; 13 000× výhoda | Modulární architektura; více než 100 logických qubitů do roku 2029 | První podprahový QEC; ověřitelná výhoda Quantum Echoes; hluboké odborné znalosti AI/ML | Omezený externí přístup; menší počet qubitů oproti IBM; přísná kontrola ekosystému |
| IBM Quantum | Nighthawk 120q (konec roku 2025); demo Loon QEC; plán Starling do roku 2029 | 200 logických qubitů do roku 2029; 100 milionů hradel; FTQC pro veřejnou potřebu | Podrobný veřejný plán; otevřený přístup ke cloudu; největší kvantová síť (více než 200 partnerů). | QEC ještě není pod prahem; konkuruje vlastnímu klasickému podnikání; pomalejší časy odbavení |
| Atom Computing | 1 225 qubitů neutrálního atomu (2024); škálování na 1 500+ (2025) | více než 5 000 qubitů do roku 2027; odolnost vůči poruchám do roku 2028 | Nejvyšší počet surových qubitů; dlouhá koherence; rekonfigurovatelná konektivita | Rychlost brány pomalejší než supravodivá; QEC nevyzrálá; omezený softwarový zásobník |
| IonQ | IonQ Forte Forte (36 qubitů, #AQ 35); Tempo (2025) cíle #AQ 64+ | 100+ qubitů do roku 2028; logické qubity s opravou chyb | Nejvyšší věrnost brány (99,9%+); propojení všech zařízení; dlouhá koherence | Nízký počet qubitů oproti konkurentům; problémy se škálováním zachycených iontů; omezené ukázky algoritmů. |
| QuEra / Harvard | 256-qubitový neutrální atom (Aquila); analogová kvantová simulace | více než 1 000 qubitových systémů; hybridní analogově-digitální systémy | Přístup k AWS Braket; silné akademické vazby; programovatelná Rydbergova fyzika | Analog-first (model s omezeným počtem vstupů); raná fáze komercializace; menší společnost |
⚠️ Závod se rozjíždí
Demonstrace Willow společnosti Google zintenzivnila konkurenci v oblasti kvantových počítačů. IBM reagovala zrychleným oznámením plánu (Nighthawk, Loon). Atom Computing oznámil partnerství s agenturou DARPA a komerčními zákazníky. Společnost IonQ získala další finanční prostředky na rozšíření systémů s chycenými ionty. Čínské kvantové snahy (Zuchongzhi, fotonické systémy Jiuzhang) pokračují v pokroku, i když s méně podrobnostmi pro veřejnost. Období 2026-2029 určí, které společnosti dosáhnou praktické kvantové výhody v komerčně relevantních problémech.
🌐 Oddíl 6: Kvantový ekosystém a partnerství společnosti Google
6.1 Akademická spolupráce
Společnost Google Quantum AI udržuje hluboké vazby s předními univerzitami:
- UC Santa Barbara: Společně umístěný kampus; společná jmenování na fakultě; vedení doktorandů
- Caltech: Spolupráce na teorii kvantové korekce chyb; spoluautor článku Willow Nature
- MIT: Vývoj kvantových algoritmů; výzkum kvantového strojového učení
- Harvard: Kvantová fyzika mnoha těles; výzkum křížení studených atomů
- Stanford: Kvantové sítě; výzkum kvantové kryptografie
6.2 Partnerství s podniky
Na rozdíl od rozsáhlé sítě Quantum Network společnosti IBM usiluje Google o cílená strategická partnerství:
- Zákazníci služby Google Cloud: Vybraní podnikoví partneři (nejmenovaní) zkoumají kvantové algoritmy pro specifické problémy v odvětví.
- Farmaceutické společnosti: Partnerství zkoumající kvantově vylepšené objevy léčiv (podrobnosti v rámci NDA)
- Firmy zabývající se materiálovými vědami: Spolupráce na návrhu katalyzátorů pro energetické aplikace
6.3 Výzkumné iniciativy Quantum AI
Společnost Google využívá své odborné znalosti AI k urychlení vývoje kvantových počítačů:
- TensorFlow Quantum: Open-source knihovna pro hybridní kvantově-klasické strojové učení
- AI pro kvantové řízení: Využití strojového učení k optimalizaci kalibrace qubitů a sekvencí hradel
- LLM pro objevování kvantových aplikací: Experimentální využití velkých jazykových modelů k identifikaci kvantově-klasických spojení
- Kvantové neuronové sítě: Výzkum kvantových analogů hlubokého učení
🎓 Interaktivní výzkumné podněty AI
🤖 Prozkoumejte tato témata s asistenty AI
Zkopírujte a vložte tyto výzvy do aplikace ChatGPT, Claude nebo jiných asistentů AI a prozkoumejte průlomové technologie Google Quantum AI do hloubky:
"Vysvětlete, jak čip Willow společnosti Google dosahuje podprahové kvantové korekce chyb pomocí povrchových kódů. Jaký význam má to, že logický qubit vzdálenosti 7 má poloviční chybovost než logický qubit vzdálenosti 5? Jaké jsou požadavky na zdroje (fyzické qubity, časy hradel, cykly měření) pro škálování povrchových kódů na 100 logických qubitů?"
"Rozbor algoritmu Quantum Echoes společnosti Google pro měření korelátorů mimo časový řád (OTOC). Proč je tento problém obtížný pro klasické počítače, ale řešitelný pro kvantové systémy? Jak algoritmus dosahuje ověřitelné kvantové výhody? Jaké jsou důsledky pro NMR spektroskopii a objevování léčiv?"
"Srovnejte a porovnejte supravodivý qubit společnosti Google (Willow) se supravodivými qubity společnosti IBM (Nighthawk), uvězněnými ionty společnosti IonQ, neutrálními atomy společnosti Atom Computing a fotonikou společnosti PsiQuantum. Jaké jsou kompromisy v rychlosti brány, době koherence, konektivitě, škálovatelnosti a opravě chyb? Která modalita má největší šanci dosáhnout kvantové výpočetní techniky v užitkovém měřítku jako první a proč?"
"Analyzujte pětistupňový rámec společnosti Google pro vývoj kvantových aplikací (objevování, vyhledávání problémových případů, výhody v reálném světě, inženýrství pro použití, nasazení aplikace). Jaká je výzva "mezery ve znalostech" v etapě III? Jak Google využívá AI k překlenutí této mezery? Uveďte příklady algoritmů v jednotlivých fázích od roku 2025."
"Srovnejte rámec Cirq společnosti Google a Qiskit společnosti IBM z hlediska: 1) abstrakce hardwaru a nativní podpora sady hradel, 2) možnosti modelování a simulace šumu, 3) knihovny algoritmů a zaměření aplikací, 4) přístup ke cloudu a dostupnost hardwaru, 5) komunita vývojářů a vyspělost ekosystému. Který framework by si měl kvantový vývojář v roce 2025 vybrat a proč?"
"Rozlišujte mezi "kvantovou převahou", "kvantovou výhodou" a "ověřitelnou kvantovou výhodou". Jak se lišila demonstrace Sycamore společnosti Google z roku 2019 (RCS za 200 sekund oproti 10 000 letům klasické) od demonstrace Quantum Echoes z roku 2025 (13 000× zrychlení simulace OTOC)? Proč je ověřitelnost rozhodující pro přijetí v reálném světě? Kdy se dočkáme kvantové výhody u komerčně cenných problémů?"
❓ Často kladené otázky (FAQ)
Hlavní rozdíly:
- Milník opravy chyb: Willow jako první demonstroval podprahovou kvantovou korekci chyb (počet chyb exponenciálně klesá s rostoucí velikostí logického qubitu). Procesor Loon společnosti IBM demonstruje klíčové komponenty odolné proti chybám, ale ještě nedosáhl plného podprahového škálování.
- Počet qubitů: Willow má 105 qubitů oproti 120 qubitům IBM Nighthawk (konec roku 2025). IBM Condor dosáhl 1 121 qubitů (2023), ale nebyl optimalizován pro opravu chyb.
- Architektura: Oba používají supravodivé transmonové qubity s povrchovou korekcí chyb. IBM se zaměřuje na topologii těžké šestihranné mřížky, Google používá 2D čtvercovou mřížku.
- Softwarový zásobník: Google nabízí Cirq (více zaměřený na NISQ, integrace s TensorFlow). IBM nabízí Qiskit (větší ekosystém, více algoritmů odolných proti chybám, širší přístup ke cloudu).
- Otevřenost: IBM poskytuje rozsáhlý veřejný přístup ke kvantovým procesorům prostřednictvím sítě IBM Quantum Network (bezplatná úroveň + prémiová). Přístup k hardwaru společnosti Google je omezenější a vyžaduje partnerství.
Podtrženo, sečteno: Google vede v demonstracích korekce chyb; IBM vede v rozsahu qubitů, transparentnosti veřejných plánů a otevřenosti ekosystému.
Co to je: Quantum Echoes je kvantový algoritmus, který simuluje dynamiku kvantových systémů s mnoha tělesy a měří korelátory mimo časový řád (OTOC) - veličiny, které odhalují, jak se kvantová informace ve složitých systémech šifruje.
Proč je to důležité:
- První ověřitelná kvantová výhoda vědeckého problému: Prokázal 13 000× zrychlení oproti superpočítači Frontier na problému, který fyziky skutečně zajímá (ne jen syntetický benchmark jako Random Circuit Sampling).
- Ověřitelnost: Klasické počítače mohou ověřovat výsledky Quantum Echoes na menších instancích, což poskytuje důvěru ve větší kvantové výpočty - což je pro důvěru v kvantové výsledky velmi důležité.
- Blízké aplikace: Umožňuje kvantově zesílenou NMR spektroskopii během ~5 let pro farmaceutický výzkum a vývoj, charakterizaci materiálů a biochemii.
- Cesta k toleranci poruch: Ukazuje, že v režimu NISQ (před plnou odolností proti poruchám) existují užitečné kvantové algoritmy, což motivuje k brzkému vývoji hardwaru.
Technické detaily: Algoritmus používá ochranu proti symetrii a dodatečnou selekci k zesílení rušivých signálů OTOC(2). Je odolný vůči šumu (odstup signál/šum 2-3 na hardwaru NISQ) a s rostoucí velikostí problému exponenciálně škáluje kvantovou výhodu.
Časová osa podle oblasti použití:
- 2026-2027: Kvantové snímání: Společnost Google odhaduje, že kvantově zesílená NMR spektroskopie (prostřednictvím kvantových ozvěn) by se mohla stát praktickou do 5 let pro farmaceutické aplikace.
- 2027-2029: Simulace materiálových věd: Kvantová simulace malých molekul, katalyzátorů a exotických materiálů pro společnosti, které jsou ochotny přijmout technologii v rané fázi vývoje. Vyžaduje ~50-100 logických qubitů.
- 2029-2031: Objevování léčiv: Kvantová simulace interakcí mezi proteiny a ligandy, reakčních drah a molekulárních vlastností v měřítku užitečném pro farmaceutické společnosti. Vyžaduje 100-500 logických qubitů.
- 2031-2035: Optimalizace a finance: Kvantová výhoda při řešení reálných optimalizačních problémů (logistika, optimalizace portfolia, dodavatelský řetězec). Vyžaduje 500-1000 logických qubitů a sofistikovanou korekci chyb.
- 2035+: Kryptografie: Shorův algoritmus prolamující šifrování RSA (vyžaduje miliony fyzických qubitů, tisíce logických qubitů). Do té doby bude postkvantová kryptografie široce rozšířena, což tuto hrozbu zmírní.
Upozornění: Tyto časové plány předpokládají pokračující exponenciální pokrok v oblasti korekce chyb, škálování qubitů a vývoje algoritmů. Neočekávané průlomové objevy (např. lepší kódy pro opravu chyb, zlepšení algoritmů) by mohly časový plán urychlit; nepředvídané překážky by jej mohly zpozdit.
Transparentnost cestovní mapy:
- IBM: Nejtransparentnější - podrobný veřejný plán do roku 2029 (Nighthawk → Kookaburra → Cockatoo → Starling) s konkrétními počty qubitů, počty bran a milníky v opravě chyb.
- Google: Veřejně dostupný méně konkrétní plán pro období po vydání systému Willow. Pětistupňový aplikační rámec poskytuje strategický směr, ale chybí podrobnosti o hardwarových milnících.
- Atom Computing: Ohlášeno škálování na více než 5 000 qubitů do roku 2027 a odolnost proti poruchám do roku 2028 (neutrální atomy). Ambiciózní, ale méně podrobná specifika týkající se opravy chyb.
- IonQ: Plán se zaměřuje na algoritmické škálování metriky qubitů (#AQ); cílem je #AQ 64+ do roku 2025, 100+ do roku 2028. Menší důraz na hrubý počet qubitů.
Technický přístup:
- Google a IBM: Obě se zabývají supravodivými qubity s opravou chyb povrchového kódu - podobné cesty s různými detaily provedení.
- Atom Computing & QuEra: Neutrální atomy nabízejí vyšší počet qubitů a dlouhou koherenci, ale pomalejší brány a méně vyspělou korekci chyb.
- IonQ a Honeywell/Quantinuum: Uvězněné ionty nabízejí nejvyšší věrnost hradel (99,9%+) a propojení všech se všemi, ale potýkají se s problémy při škálování.
- PsiQuantum & Xanadu: Fotonické přístupy slibují provoz při pokojové teplotě a síťové architektury, ale vyžadují miliony fyzických qubitů pro odolnost proti chybám.
Podtrženo, sečteno: Silnou stránkou společnosti Google je prokázaná korekce chyb pod prahem a ověřitelná kvantová výhoda. Silnou stránkou IBM je transparentní plán a otevřený ekosystém. Atom Computing vede v počtu hrubých qubitů. IonQ vede ve věrnosti hradel. V letech 2026-2029 se ukáže, který přístup se bude škálovat nejúčinněji.
Přístup Google Quantum AI:
- Partnerství v oblasti výzkumu: Primární přístupová cesta. Google spolupracuje s akademickými institucemi a vybranými společnostmi na projektech kvantového výzkumu a poskytuje jim vyhrazený procesorový čas.
- Google Cloud (s omezením): Některé služby kvantových výpočtů jsou poskytovány prostřednictvím služby Google Cloud, ale přístup ke špičkovému hardwaru (jako je Willow) je omezen.
- Simulátory Cirq: Simulátory s otevřeným zdrojovým kódem dostupné zdarma prostřednictvím Cirq pro obvody do ~30-40 qubitů (v závislosti na entanglementu).
- Vzdělávací zdroje: Rozsáhlé výukové programy, codelaby a dokumentace na adrese quantumai.google.
IBM Quantum Access (otevřenější):
- Bezplatná úroveň: IBM Quantum Network nabízí bezplatný přístup k vybraným kvantovým procesorům (obvykle 5-7 qubitů a některé 27qubitové systémy) pro každého, kdo se zaregistruje.
- Prémiový přístup: IBM Quantum Premium poskytuje přístup ke špičkovým systémům (Heron, Nighthawk) pro platící zákazníky a prémiové partnery v oblasti výzkumu.
- Cloudové simulátory: Vysoce výkonné simulátory dostupné prostřednictvím platformy IBM Quantum Platform.
- Největší ekosystém: Více než 200 členů sítě IBM Quantum Network, včetně univerzit, národních laboratoří a společností z žebříčku Fortune 500.
Další možnosti:
- Amazon Braket: Přístup pro více dodavatelů (IonQ, Rigetti, OQC, QuEra) prostřednictvím AWS s cenou za každý snímek.
- Microsoft Azure Quantum: Přístup ke službám IonQ, Quantinuum a Rigetti prostřednictvím cloudu Azure.
- IonQ Cloud: Přímý přístup k systémům zachycených iontů společnosti IonQ.
Doporučení: Chcete-li se naučit kvantové programování, začněte s bezplatnou verzí IBM (Qiskit) nebo AWS Braket. Pro špičkový výzkum využijte akademická partnerství se společnostmi Google nebo IBM. Pro komerční průzkum zhodnoťte AWS Braket nebo IBM Quantum Premium na základě potřeb algoritmů.
Co znamená "podprahová hodnota": V kvantové opravě chyb je "práh" maximální chybovost fyzického qubitu, pod kterou je přidání dalších qubitů k logickému qubitu. snižuje logickou chybovost spíše než zvyšovat. U povrchových kódů je teoretická prahová hodnota přibližně 1% na hradlo.
Proč je to těžké: Historicky každý kvantový systém zaznamenal logickou chybovost. zvýšit při škálování logických qubitů (více qubitů = více kumulovaných chyb). Tím se vytvořil začarovaný kruh, který brání pokroku směrem k odolnosti proti chybám.
Willowin úspěch: Společnost Google prokázala, že vzdálenost 7 logických qubitů (49 datových qubitů) má poloviční chybovost vzdálenosti 5 logických qubitů (25 datových qubitů) - exponenciální zlepšení. Je to poprvé, kdy nějaký kvantový systém překročil podprahovou bariéru.
Proč je to důležité:
- Potvrzuje teorii korekce chyb: Dokazuje, že kvantová korekce chyb povrchovým kódem funguje i v praxi, nejen teoreticky.
- Povoluje škálování: Díky podprahovému výkonu může nyní společnost Google škálovat na 100, 1 000 a 10 000+ qubitových systémů s jistotou, že logická chybovost bude nadále klesat.
- Cesta k toleranci poruch: Podprahová QEC je předpokladem pro vybudování kvantových počítačů odolných proti poruchám, které jsou schopny provádět Shorův algoritmus, kvantovou chemii ve velkém měřítku atd.
- Soutěžní milník: Google je první, kdo to veřejně prokázal. Procesor Loon společnosti IBM demonstruje klíčové komponenty, ale zatím neprokázal exponenciální škálování na více kódových vzdálenostech.
Co bude následovat: Google nyní musí předvést 10-20 logických qubitů pracujících současně, dlouhotrvající logické operace (tisíce cyklů opravy chyb) a univerzální sady logických hradel (nejen paměť). To jsou další milníky na cestě ke kvantovým počítačům odolným vůči chybám.
🎯 Závěr: Kvantová nadvláda Googlu... a co bude dál
Úspěchy Google Quantum AI 2025 - podprahová korekce chyb Willow a ověřitelná kvantová výhoda Quantum Echoes - představují zlomové body v historii kvantových počítačů. Poprvé máme důkaz že kvantová korekce chyb se škáluje tak, jak teorie předpovídá, a důkazy že kvantové počítače mohou řešit vědecky užitečné problémy rychleji než klasické superpočítače.
Výzvy však přetrvávají. Willowových 105 qubitů a 2-3 logické qubity jsou daleko od 100-1000 logických qubitů potřebných pro transformační aplikace. Algoritmus Quantum Echoes je sice průlomový, ale vztahuje se na úzkou třídu fyzikálních simulací. Pětistupňový plán společnosti Google uznává problém "mezery ve znalostech": propojení kvantových algoritmů s reálnými případy použití vyžaduje mezioborovou spolupráci, která sotva začala.
Rozhodující bude období 2026-2029. Společnost Google musí převést průlomový objev v oblasti korekce chyb Willow do systémů s 10-100 logickými qubity, zatímco IBM rozšíří svůj plán Starling na 200 logických qubitů. Společnosti Atom Computing a IonQ budou prosazovat alternativní qubitové modality směrem k užitkovému měřítku. Startupy jako PsiQuantum (fotonika) a Rigetti (supravodivost) budou usilovat o získání výhod ve výklencích. Čínské kvantové snahy jsou sice méně transparentní, ale pokračují v rychlém rozvoji.
Závod o kvantovou výpočetní techniku odolnou proti poruchám již není otázkou. pokud ale když - a která společnost se tam dostane jako první. Přístup Googlu založený na algoritmech, hluboké odborné znalosti AI a infrastruktura v Santa Barbaře jej staví do pozice lídra. Otevřený ekosystém, podrobný plán a partnerství v rámci Quantum Network společnosti IBM však nabízejí konkurenční vizi široce založené kvantové inovace.
Pro vývojáře, výzkumníky a firmy: Nyní je čas se zapojit. Naučte se kvantové programování prostřednictvím Cirq nebo Qiskit. Prozkoumejte potenciální kvantové algoritmy pro vaši oblast. Spolupracujte s dodavateli kvantových technologií a identifikujte případy použití ve fázi III. Společnosti, které dnes pochopí silné stránky a omezení kvantové technologie, budou mít možnost využít výhod kvantové technologie, až přijde na přelomu let 2020 a 2030.
Kvantová počítačová revoluce již není hypotetická. Je tady - a zrychluje se.
📚 Zdroje a reference
- Blog Google Quantum AI: Seznamte se s Willow, naším nejmodernějším kvantovým čipem. (9. prosince 2024)
- Publikace Nature: Kvantová korekce chyb pod prahem povrchového kódu
- Výzkumný blog Google: Zprovoznění kvantové korekce chyb
- Blog Google Quantum AI: Průlomový algoritmus Quantum Echoes (22. října 2025)
- Publikace Nature: Ověřitelná kvantová výhoda ve fyzikální simulaci
- Google Quantum AI: Pětistupňový plán na cestě ke kvantové užitečnosti (13. listopadu 2025)
- arXiv Preprint: Velká výzva kvantových aplikací
- Google Quantum AI: Cirq: Python Framework pro kvantové výpočty
- Google Quantum AI: Naše laboratoř - Kampus Quantum AI
- The Quantum Insider: Google Quantum AI vykazuje 13 000× vyšší rychlost než nejrychlejší superpočítač na světě
- Zprávy CBS: Průlom v kvantovém počítači společnosti Google
- Forbes: Google AI nastiňuje pětistupňový plán, jak učinit kvantovou výpočetní techniku užitečnou
Článek #2 z 20 v sérii 20 nejlepších společností zabývajících se kvantovou výpočetní technikou
Další: Článek #3 - IonQ: Kvantové výpočty s uvězněnými ionty a hledání #AQ 100
Předchozí: Článek #1 - IBM Quantum Deep Dive 2025
Kristof GeorgeAI stratég, Fintech konzultant a vydavatel QuantumAI.co
Kristof George je zkušený digitální stratég a fintech vydavatel s více než desetiletou praxí na pomezí umělé inteligence, algoritmického obchodování a online finančního vzdělávání. Jako hnací síla portálu QuantumAI.co Kristof připravil a publikoval stovky odborně recenzovaných článků, které zkoumají vzestup obchodování s využitím kvantových technologií, systémy předpovídání trhu založené na AI a investiční platformy nové generace.
Proč věřit Kristofu Georgovi?
✅ Zkušenosti: Více než 10 let v oblasti fintech publikování, dodržování partnerských předpisů a vývoje obsahu AI.
🧠 Odbornost: Hluboké znalosti platforem pro algoritmické obchodování, trendů v oblasti kvantových počítačů a vyvíjejícího se regulačního prostředí.
🔍 Autoritativnost: Citováno na oborových blozích, v sítích s kryptografickými recenzemi a na nezávislých fórech.
🛡 Důvěryhodnost: Zavázal se k ověřování faktů, odhalování podvodů a podpoře etického přijetí AI ve financích.
