המרוץ לעליונות קוונטית
מתחמם

חברת IBM הכריזה בשבוע שעבר על הישג טכנולוגי-קוונטי מרשים: היא פיתחה מחשב קוונטי בעל 127 קיוביטים (Qubit)– יחידות עיבוד. בכך היא כמעט הכפילה את כמות יחידות העיבוד לעומת המחשב הקודם שלה, שבו היו 65 קיוביטים. מדובר בצעד נוסף לקראת פיתוח מחשב קוונטי שימושי. בשנה הקרובה מתכוונים ב-IBM להגיע ל-433 קיוביטים, וב-2023 היעד שלהם הוא ליצור מחשב פועל שבו 1,121 קיוביטים.

קיוביט, כלומר ביט קוונטי, הוא יחידת העיבוד הבסיסית ביותר של מחשב קוונטי, כשם שביט הוא יחידת העיבוד הבסיסית ביותר של מחשב קלאסי, כלומר מחשב רגיל. מחשבים קלאסיים מבוססים על ביטים: יחידות חומרה שיכולות להיות באחד משני מצבים – כבוי או פעיל, המסומנים ב-0 וב-1. האפסים והאחדים האלה מרכיבים יחד את הקוד הבינארי שבו נכתבים כל הנתונים והפקודות הנחוצים לתפקודו של כל מחשב, מהפשוטים ביותר ועד למחשבי-על.

קיוביט הוא המקבילה לביט בעולם של מכניקת הקוונטים. כמו הביט, גם הקיוביט יכול להיות באחד משני מצבים, 0 או 1. אבל כיוון שמדובר במערכת קוונטית, יש הבדל מהותי אחד: שלא כמו ביט רגיל, ביט קוונטי יכול להיות במצב שנקרא סופרפוזיציה, שהוא מעין מצב ביניים שאינו 0 ואינו 1, אלא מעין צירוף של קצת מכל אחד. רק כאשר תיעשה בדיקה של המצב שלו הוא "יקרוס" לאחד משני המצבים, כלומר יעבור לאחד מהם. הסיכוי לכל אחד משני המצבים אחרי הקריסה שווה לחלק היחסי שהיה לכל אחד מהם במצב הביניים. התכונה הזאת מאפשרת למחשב הקוונטי לעשות דברים שמחשבים קלאסיים אינם מסוגלים לבצע, אך גם מציבה מכשולים ואתגרים אחרים.

המערכות שמיועדות לממש קיוביטים נמצאות עדיין בפיתוח, ולא ברור מה השיטה שתיבחר בסופו של דבר | אילוסטרציה: RICHARD KAIL / SCIENCE PHOTO LIBRARY

אתגר מדעי והנדסי

במחשבים קלאסיים, הביטים מיוצגים כמעט תמיד על ידי מעגלים חשמליים שדרכם עובר זרם (1) או לא עובר זרם (0). לעומת זאת, המערכות שמיועדות לממש קיוביטים נמצאות עדיין בפיתוח, ולא ברור מה השיטה שתיבחר בסופו של דבר. IBM מפתחת קיוביטים שמבוססים על מעגלים חשמליים עם רכיבים מוליכי-על. גם חברת גוגל משתמשת בטכנולוגיה דומה לפיתוח המחשב הקוונטי שלה, שמונה נכון להיום 72 קיוביטים. כאן המקום לציין שמספר הקיוביטים אינו המדד היחיד להשוואה בין מחשבים קוונטיים, כך שקשה לקבוע איזו חברה התקדמה יותר בפיתוח המחשב הקוונטי שלה.

מחשבים קוונטים מיועדים להיות מסוגלים לבצע משימות מסוימות ביעילות ולשפר מהותית את זמני החישוב בהן לעומת מחשב רגיל. משמעות הדבר היא שיש בעיות שמחשב קלאסי זקוק לזמן ארוך ברמה בלתי סבירה כדי לפתור אותן – בין כמה חודשים לשנים רבות, ואילו מחשב קוונטי יוכל להשלים אותן בזמן סביר. משימות כאלו יכולות להיות למשל הדמיה של מערכות קוונטיות כמו חומרים מתקדמים או מולקולות כימיות חשובות לתעשיית התרופות, ביצוע פעולות מתמטיות המשמשות מנועי חיפוש כמו גוגל, אופטימיזציה של מערכות מורכבות או הצפנה ושבירת צפנים.

פיתוח המחשב הקוונטי מציב אתגר מדעי והנדסי מורכב בפני המפתחים. הקיוביטים במחשב הקוונטי נדרשים לתקשר זה עם זה, או ליתר דיוק לבצע ביניהם תהליך שנקרא שזירה קוונטית, כדי שנוכל לנצל באמת את כוחו של המחשב. בתהליך השזירה נוצרת אינטראקציה בין שני קיוביטים רחוקים, כך שהמצב הקוונטי של אחד מהם משפיע על המצב הקוונטי של השני. ככל שהאינטראקציה בין הקיוביטים מורכבת יותר, היא חשופה יותר להפרעות ולשגיאות, שמכונות "רעש". רעש כזה עלול למדוד מוקדם מדי את מצבו הקוונטי של הקיוביט וכך להרוס את הסופרפוזיציה שבה הוא נמצא, כלומר לגרום לו לאבד את תכונותיו הקוונטיות. לשם כך פועלים מפתחי המחשבים הקוונטיים לשפר את הארכיטקטורה שבה יוצבו הקיוביטים ואת הדרכים לשזור אותם זה לזה.

בשנת 2019 הכריזה חברת גוגל כי היא הצליחה להשיג עליונות קוונטית. מתוך ערוץ היוטיוב של החברה.

עליונות קוונטית

בשנים האחרונות שוקדות כמה וכמה חברות ומעבדות מחקר להשיג "עליונות קוונטית", כלומר להצליח לבצע במחשב קוונטי משימה שתהיה קשה וארוכה מדי עבור מחשב קלאסי. מדובר ביעד מרחיק לכת עבור מחשב קוונטי זעיר שמורכב רק מכמה עשרות קיוביטים. לשם ההשוואה, זיכרון העבודה של מחשב נייד מסחרי ממוצע הוא בערך 16 גיגה-בייט, כלומר 128 מיליארד ביטים. גם במשימות שנתפרו במיוחד לתכונותיו של המחשב הקוונטי, פערי הגדלים העצומים בין המחשבים הקוונטיים הנוכחיים לבין המחשבים הקלאסיים החזקים העומדים לרשותנו היום מכריעים עדיין את הכף לטובת המחשב הקלאסי.

בשנת 2019 הכריזה חברת גוגל כי היא הצליחה להשיג עליונות קוונטית, כשהשתמשה במחשב הקוונטי שהיא מפתחת כדי לחולל פונקציית התפלגות סטטיסטית שמציבה אתגר חישובי קשה למחשב קלאסי. עם זאת, שנה לאחר מכן פרסמו מדענים מסין מאמר שבו הראו כי אפשר לחולל את אותה פונקציית התפלגות באמצעות מחשבי העל הקלאסיים של חברת "עליבאבא". כך שהמירוץ להשגת עליונות קוונטית נמשך.

ההכרזה של חברת IBM אינה על השגת עליונות קוונטית. למעשה היא לא בישרה על שום משימה חשובה שהמחשב הקוונטי החדש שלה ביצע. ההישג שלה הוא עצם פיתוחו של המחשב החדש, שבעתיד IBM מתכוונת להשתמש בו במטרה להגיע לעליונות הקוונטית המיוחלת. אילו בשורות יביא איתו המחשב החדש בנוגע לכוחם של המחשבים הקוונטיים? נצטרך לחכות ולראות.