הפרעות סביבתיות גורמות למחשבים קוונטיים לשגות שוב ושוב. חוקרים בחברת גוגל הצליחו לשפר מנגנון שמתקן את השגיאות
טכנולוגיית המחשוב הקוונטי, שנמצאת עדיין בשלבי פיתוח מוקדמים מאוד, צפויה לפתוח בפני האנושות דרכי עיבוד חדשות שיאפשרו לנו להתמודד עם בעיות מתמטיות שגם מחשבי-על דיגיטליים לא מסוגלים לפתור. אך נכון לעכשיו, אבות הטיפוס של המחשבים הללו מתמודדים עם שיבושים רבים שנובעים מהפרעות סביבתיות. מנגנונים לתיקון שגיאות אמורים להתמודד עם השיבושים הללו, אך גם בהם יש שגיאות. צוות המחשוב הקוונטי של גוגל השיג לאחרונה התקדמות בתחום הזה, כשהצליח להפחית את שכיחות השגיאות במנגנון תיקון השגיאות של המחשב הקוונטי.
הצוות של גוגל כמובן אינו היחיד שעובד על פיתוח מחשוב קוונטי - ואוניברסיטאות וחברות טכנולוגיה חוקרות באינטנסיביות את הנושא. התקווה היא שמחשבים קוונטיים יוכלו לבצע משימות שונות מאלה של המחשבים הדיגיטליים הקיימים. למשל, צופים שהם יוכלו לדמות מערכות קוונטיות מורכבות לצורך מחקרים בכימיה, או להתמודד עם בעיות מתמטיות שפתרונן דורש כוח חישוב בלתי אפשרי מבחינה מעשית ממחשבים רגילים, כמו פענוח צפנים משוכללים.
יחידת החישוב הבסיסית של המחשב הדיגיטלי הרגיל נקראת ביט, וערכה יכול להיות "0" או "1" (מיוצג, לדוגמה, על ידי מעגל חשמלי פתוח או סגור). לעומת זאת, מחשבים קוונטיים משתמשים בקיוביטים, כלומר ביטים קוונטיים, שמבטאים את המצב של רכיב קוונטי בודד, כמו אטום או מעגל מוליך-על. ולהבדיל מביט קלאסי, הקיוביט יכול להיות במצב שהוא צירוף כלשהו של "0" ו-"1", ביחסים משתנים, פועל יוצא של התכונות של הפיזיקה הקוונטית.
בשנים האחרונות התבשרנו על פיתוחם של מחשבים קוונטיים עם למעלה ממאה קיוביטים, דבר שמקרב את מימושו של מחשב קוונטי שימושי. מחקר המחשוב הקוונטי מתמקד כיום בעיקר בהגדלת מספר הקיוביטים, אבל בדרך להגשמת המטרה הזאת ניצב אתגר מרכזי נוסף – התמודדות עם הרעש.
להבדיל מביט קלאסי, הקיוביט יכול להיות במצב שהוא צירוף כלשהו של "0" ו-"1", ביחסים משתנים. אילוסטרציה של קיוביטים, במצב 0 (כחול), 1 (אדום), או צירוף שלהם | Laguna Design, Science Photo Library
רעש קוונטי
רכיבים קוונטיים נוטים לסבול מרעשים שמעיבים על החישוב. רעשים חשמליים ומגנטיים, וגם חום, גורמים לקיוביטים לשנות את מצבם במהלך החישוב באופן בלתי צפוי. כל פעולת חישוב בסיסית כרוכה בסדרה ארוכה של פעולות על כמה קיוביטים, ולכן השגיאות מצטברות ואי אפשר להסתמך על החישוב. המצב הזה שקול למחשב שמתבקש לחשב כמה זה 2+2 ולרוב יענה 4 אך לעיתים ייתן תשובות אחרות, בלי שנדע מתי זה יקרה.
כדי לפתור את בעיית השגיאות של הקיוביטים, פותחו אלגוריתמים לתיקון שגיאות קוונטי. במחשב קלאסי יש דרכים שונת לבדוק שגיאות, למשל על ידי מנגנון שיעתיק כל ביט לשני ביטים נוספים. כך, גם אם חלה שגיאה והערך של אחד הביטים יתהפך מ-"0" ל-"1" או להפך, שני העותקים שלו יעידו על הערך המקורי. במחשב קוונטי אי אפשר לנקוט את הגישה הזו, כי אי אפשר להעתיק מצב קוונטי.
החישוב במחשב קוונטי מבוסס על תופעות קוונטיות, ובפרט שזירה קוונטית, שבה שני חלקיקים רחוקים חולקים יחד את אותו מצב קוונטי. בתיקון השגיאות רותמים יחד כמה קיוביטים ומאחסנים בהם את המצב הרצוי, תוך שימוש בשזירה קוונטית. אחת הגישות העיקריות לתיקון שגיאות כזה מכונה "קוד משטחי". כל קוד משטחי מקודד את המצב של הקיוביטים באסופת קיוביטים שמאורגנים כמו אריחים ברצפה. כל קיוביט מתממשק לארבעת הקיוביטים הצמודים אליו, והמפעיל שולט בממשק. בעזרת הממשק, המפעיל יכול לשזור שני קיוביטים סמוכים ואף לייצר מצבים שזורים של מספר קיוביטים במערכת.
המשטח המתואר כאן הוא רק הפשטה, אבל במחשבים קוונטיים שמבוססים על מעגלי על-מוליך, הקיוביטים אכן מאורגנים כמו אריחים על משטח. הקוד המשטחי מנטר ביעילות את השגיאות בקיוביטים מסוימים, וכך מאפשר את החישוב גם בנוכחות שגיאות שעשויות להתרחש מעת לעת.
החישוב במחשב קוונטי מבוסס על תופעות קוונטיות, ובפרט שזירה קוונטית. אילוסטרציה של שני קיוביטים נשזרים | Tony Melov, Science Photo Library
יותר משתתפים בתיקון
במאמר חדש דיווח צוות המחשוב הקוונטי של גוגל על קפיצת דרך ביישום הקוד המשטחי לניטור שגיאות. מחקרים דומים הציגו שיטות לתיקון שגיאות, אך כדי שנוכל לסמוך על חישוביו של המחשב הקוונטי, יהיה צריך להרחיב את מנגנון תיקון השגיאות לכמה שיותר קיוביטים. הרעיון של שיפור המחשב הקוונטי על ידי שימוש ביותר קיוביטים נשמע מובן מאליו, אך יש בו מלכוד: ככל שמתווספים קיוביטים, כך מתרבות גם השגיאות. כאשר אנחנו משתמשים ביותר קיוביטים לחישוב, אנחנו צריכים להוסיף גם עוד קיוביטים למנגנון תיקון השגיאות - אלא שגם הקיוביטים האלו חשופים לטעויות. האם ניתן בכל זאת להגדיל את מספר הקיוביטים ולהוריד את קצב השגיאות?
לפחות עד רמה מסויימת, נראה שהתשובה היא חיובית. כשהצוות הגדיל את מספר הקיוביטים שמשתתפים בקוד תיקון השגיאות, קצב השגיאות פחת. לצורך ההדגמה השתמשו החוקרים במחשב קוונטי המבוסס על מעגלי על-מוליך. קוד משטחי לתיקון שגיאות שהתבסס על 49 קיוביטים, כאשר 25 מהם מכילים את המידע ומבצעים את החישוב ו-24 הנותרים מנטרים את פעולותם, היה קצת יותר יעיל מקוד תיקון שגיאות שהתבסס על 17 קיוביטים. הקוד הגדול היה עמיד יותר לשגיאות והתמודד בהצלחה גם עם שגיאות כפולות בכל שלב של החישוב, בשעה שהקוד הקצר היה יכול לסבול רק שגיאה בודדת בכל שלב של הריצה. הניסוי הדגים את היציבות של הקיוביטים שעליהם מבוסס המחשב – מעגלי על-מוליך – ואת היציבות של האלגוריתם.
זו ההדגמה הראשונה של הרחבת מנגנון תיקון השגיאות מעבר למנגנון הבסיסי שמסוגל להתמודד עם שגיאה אחת בכל צעד של החישוב. החוקרים הציגו מודלים של המחשב הקוונטי כדי לנתח את מקורות השגיאות, והציעו דרכים לשכלל את הקיוביטים כדי להרחיב עוד את מנגנוני תיקון השגיאות. המחשבים הקוונטיים העתידיים צפויים להתבסס על מנגנונים מסועפים של תיקון שגיאות כדי לבצע חישובים מורכבים בני צעדים רבים. המחקר הזה הוא עוד שלב בדרך לכך.
