המעבדה לטכנולוגיה קוונטית של גוגל השיקה מנגנון מבוסס בינה מלאכותית לתיקון שגיאות במחשב קוונטי, שמראה יתרונות מובהקים על פני שיטות תיקון השגיאות המובילות כיום
מאמצים מדעיים והנדסיים רבים מושקעים כבר שנים בפיתוח מחשבים קוונטיים, שצפויים להיות להם יתרונות רבי-משמעות עבור חישובים לצורכי פיתוח חומרים מתקדמים, תרופות חדשות, הבנה רחבה יותר של היקום, ובעתיד הרחוק יותר גם משימות מתמטיות מורכבות כגון פענוח צפנים. הפיתוח בתחום המחשוב הקוונטי אכן מתקדם, ומציג צעדים מרשימים מדי שנה, אך נכונו לו עוד אתגרים רבים לפני שיהיה בנמצא מחשב שימושי, שתהיה לו גם עדיפות מהותית על פני המחשבים הקלאסיים הקיימים כיום. נוכל לחלק את האתגרים האלה לשלושה תחומים עיקריים: רגישות המחשב לרעשים, תיקון שגיאות ופיתוח אלגוריתמים מותאמים (באחרון לא נעסוק בכתבה זו).
מהו מחשב קוונטי?
כדי להבין את האתגרים, דרוש הסבר קצר על מהו בכלל מחשב קוונטי. יחידת המידע הבסיסית במחשב "רגיל", קלאסי, נקראת ביט (bit), והיא יכולה להיות באחד משני מצבים, שמכונים "אפס" ו"אחת". בדרך כלל ביטים הם מעגלים חשמליים שביניהם זורם, או לא זורם, זרם חשמלי. על בסיס שתי האפשרויות האלה, "אפס" ו"אחת", מהנדסים פיתחו שפות עשירות שבהן אנחנו "מתקשרים" עם המחשב: נותנים לו הנחיות, מחשבים חישובים ומקבלים את תוצאותיהם. במחשב קוונטי, במקום ביט יש מערכת פיזיקלית בעלת תכונות קוונטיות שנקראת קיוביט. הקיוביט יכול גם הוא להיות במצב "אפס" או במצב "אחת", אבל הוא יכול גם להיות בין השניים, במצב מעורב בשם סופרפוזיציה. בזכות המצב המעורב הזה, מחשב קוונטי יכול לבצע חישובים מורכבים במהירות: יש דוגמאות לחישובים שייקחו למחשב קלאסי שנים ארוכות, אבל ארכו "רק" מספר שעות במחשב קוונטי. היתרון הזה צפוי להיות משמעותי במיוחד במחקר על מערכות שהן קוונטיות מטבען, כמו מולקולות מורכבות וחומרים מתקדמים.
הקיוביט יכול גם הוא להיות במצב "אפס" או במצב "אחת", אבל הוא יכול גם להיות בין השניים, במצב מעורב בשם סופרפוזיציה. אילוסטרציה של קיוביט בסופרפוזיציה | Shutterstock, VectorMine
הבעיה הראשונה בפיתוח מחשב קוונטי הוא רגישות ל"רעשים", כלומר הפרעות חיצוניות: סופרפוזיציה היא מצב רגיש מאוד, שכל יחסי גומלין (אינטראקציה) עם הסביבה גורמים לו "לקרוס" – החלקיק שאנחנו מודדים משנה את מצבו, ממצב-הביניים של "בין אפס לאחת" למצב "אפס" או למצב "אחת". מורכב מאוד מבחינה הנדסית לפתח מערכת קיוביטים שמצד אחד יהיו לנו איתה יחסי גומלין, כדי שנוכל לשלוט בה, אבל מצד שני לא תתרחש בה שום פעילות בלתי רצויה. המעבדות הגדולות בעולם נאבקות בפיתוח מחשבים עם רגישות נמוכה לרעשים, אך משמעות הדבר היא הגבלה ניכרת על גודל המחשב הקוונטי: חברת IBM, למשל, שמחזיקה באחת המעבדות המתקדמות בעולם לפיתוח מחשב קוונטי, הצליחה להגיע למחשב של כ-1,000 קיוביטים; לשם השוואה, בזיכרון עבודה של טלפון חכם ממוצע יש שמונה ג'יגה-בייט (8GB), שהם 64 מיליארד ביטים קלאסיים.
חברת IBM, למשל, הצליחה להגיע למחשב קוונטי של כ-1,000 קיוביטים. הצגה של המחשב הקוונטי של IBM, קונדור | ויקימדיה, IBM Research
לתקן את השגיאות
האתגרים הטכניים בייצור מחשב בעל רגישות נמוכה לרעש, כלומר ליחסי גומלין מקריים עם הסביבה, מבהירים את חשיבות תיקון השגיאות במחשב קוונטי: במקום לייצר מחשב שאין בו רעש או שגיאות, אפשר לבנות מחשב שיש בו מעט שגיאות ולפתח פרוטוקול חכם כדי לתקן אותן. מחשב קוונטי חזק יצטרך לתפקד היטב בשני הערוצים: גם שייווצרו בו פחות שגיאות, וגם לתקן אותן בצורה חכמה יותר.
גם במחשב קלאסי לתיקון שגיאות יש חשיבות רבה: טעויות תמיד קורות, ולא נוכל לתת לכל טעות לשבש את כל פעולת המחשב. מנגנון בסיסי לתיקון שגיאות הוא שכפול: במקום ביט אחד, משתמשים בשלושה ביטים שמייצגים תו בודד, ונמצאים במצב "000" או "111". אם אחד הביטים ישתנה בטעות, נוכל לתקן אותו בעזרת שני הביטים האחרים, וכך להגן על עצמנו מפני שגיאה בודדת. אם הסיכוי לשתי שגיאות גבוה מדי זה כבר לא מספיק, ונצטרך פתרון מתוחכם יותר, ושימוש ביותר ביטים לייצוג תו בודד. מתמטיקאים וחוקרי מדעי המחשב מפתחים שיטות מתוחכמות יותר ויותר לתיקון שגיאות, כדי שנוכל להשתמש במחשבים באופן חלק ונקי.
התיקון שמקלקל
בהקשר של מחשבים קוונטיים, הבעיה היא שמדידת מצב הקיוביטים, כלומר בדיקה אם קיוביט אחד השתנה, מקיימת בפני עצמה יחסי גומלין עם הקיוביטים – מה שיכול להרוס את הסופרפוזיציה שעליה מושתת החישוב. פרוטוקולים לתיקון שגיאות שלא יהרסו את הסופרפוזיציה צריכים להיות מותאמים במיוחד למחשב קוונטי, ומגלמים בתוכם לפיכך מורכבות מתמטית נוספת. זיהוי שגיאות ותיקונן הם משימות מסובכות, ובזמן הביצוע שלהן עלולות להיווצר שגיאות נוספות.
כאן מגיע ההישג החדש של גוגל: באמצעות כלי בינה מלאכותית בשם אלפא-קיוביט, הם הצליחו לייצר כלי שמזהה שגיאות ומתקן אותן טוב יותר מכל כלי מתמטי אחר שהיה קיים עד היום. בעזרת שימוש בכלי החדש נוצרות שגיאות בתדירות נמוכה בכשישה אחוזים בהשוואה לשימוש ברשתות טנזוריות – שהן כלי תיקון השגיאות המדויק ביותר שנמצא כעת בשימוש. יותר מזאת, הכלי החדש צפוי לאפשר תיקון שגיאות מהיר יותר באופן אקספוננציאלי, ולהיות מהיר בהרבה ככל שהטכנולוגיה תתקדם. כאשר משווים לשיטות מהירות יותר (ומדויקות פחות) לתיקון שגיאות, הכלי החדש מפגין יתרון מובהק עוד יותר: 30 אחוזים פחות שגיאות, עם צפי ליתרון נוסף בעתיד.
גוגל הצליחו לייצר כלי שמזהה שגיאות ומתקן אותן טוב יותר מכל כלי מתמטי אחר שהיה קיים עד היום. שבב מחשב קוונטי של גוגל | Google
ותודה לבינה המלאכותית
למעשה, ההישג נזקף לזכות הבינה המלאכותית יותר מאשר לזכות הטכנולוגיה הקוונטית: ניתוח השגיאות נעשה באמצעות בינה מלאכותית, ולא באמצעות הבנה מעמיקה של המתמטיקה מאחורי המחשב הקוונטי. הכלי נשען, כמובן, על ידע והבנה קודמים של מחשבים קוונטיים, אבל פריצת הדרך הספציפית הזו היא עוד סעיף ברשימה ארוכה של הישגים טכנולוגיים שהתאפשרו בעזרת בינה מלאכותית שמבוססת על מחשוב קלאסי, ביניהם כלים נוספים של גוגל בעלי הקידומת אלפא, כמו אלפא-גו, כלי למשחק גו שנרכש על ידי גוגל, או אלפא-פולד, כלי לחישוב וחיזוי של תוצאות קיפול חלבונים. ההישגים המרשימים הללו מעוררים תקווה ששילובם בעולם המחשוב הקלאסי לצד הטכנולוגיה הקוונטית יאפשרו לנו להגיע לחזית המדע, תוך ניצול נכון של המשאבים והכלים הקיימים כיום.
שילוב בין שיפור של טכנולוגיית הקיוביטים עצמם עם רגישות נמוכה יותר לרעשים הוא צעד זהיר נוסף בהתקדמות לעבר מחשב קוונטי שימושי, שיוכל לבצע חישובים מורכבים ולהוביל לפריצות דרך מדעיות. ככל שהטכנולוגיה והחומרה של המחשבים הקוונטיים ישתפרו, כלי הבינה המלאכותית צפויים לקבל מידע טוב יותר ללמידה ולאימונים – וכך להשתפר בעצמם. מכאן שההישג החדש צפוי להוביל להישגים נוספים, ולהאיץ את קצב ההתקדמות לעבר המחשב הקוונטי הנכסף.
