השנה של המחשב הקוונטי

בכתבה שפורסמה לאחרונה בכתב העת Nature דווח כי רבים סבורים ש-2017 צפויה להיות שנת מפנה בנוגע למחשוב קוונטי. ענקיות התוכנה גוגל ומיקרוסופט פועלות במרץ רב לקידום שיטת העיבוד החדשה ומעסיקות לשם כך צוותי מחקר ייעודיים. במקביל מוקמות עוד ועוד חברות הזנק פרטיות ואקדמיות. רבים רוצים להיות בחוד החנית של המאמץ לממש את ההבטחה הגדולה – וכמובן להיות אלה שיקטפו את פירותיה.

בפשטות, ייחודם של המחשבים הקוונטים הוא שבניגוד למחשבים המוכרים לנו, שבהם יחידת החישוב המינימלית היא ביט המייצג ערכים של 0 או 1, יחידת המידע הבסיסית של המחשב הקוונטי היא "קיוביט" (qubit, קיצור של quantum bit), שיכולה לייצג את שניהם בו-זמנית, ולכן מקובל לומר שהקיוביט מייצג ערכים ש"בין 0 ו-1", על ידי שינוי היחס ביניהם באותו קיוביט.

בנוסף, המחשבים הקוונטיים עתידים להשתמש ב"שזירה", תכונה ייחודית לתורת הקוונטים שמשמעותה היא שמצבים קוונטיים שונים יכולים להשפיע זה על זה מרחוק, באותו זמן. השזירה הקוונטית היא תופעה מיוחדת במינה והייתה אחד הגורמים לספקנותו של אלברט איינשטיין ביחס לתיאוריית הקוונטים. הוא כינה אותה "פעולת רפאים ממרחק", כיוון שהיא מתארת מקרים שבהם שני אובייקטים משפיעים זה על זה ממרחק בלי שיש ביניהם קשר ישיר, וההשפעה הזאת מיידית ואינה תלויה במרחק ביניהם.

במהלך החישוב מבצעים מדידה קוונטית על אחד הקיוביטים, והמדידה משפיעה גם על שאר הקיוביטים השזורים אליו גם ללא מדידתם הישירה. זו גם הסיבה לכך שתופעת השזירה מגבירה את כוחו הפוטנציאלי של המחשב הקוונטי, כיוון שהיא מאפשרת לו לבצע פעולות במקביל ממש, ולא בזו אחר זו כמו במחשב הרגיל. 300 קיוביטים שזורים יוכלו להלכה לבצע בו-זמנית יותר פעולות ממספר האטומים ביקום.

סרטון קצר (באנגלית) המסביר את עקרונות פעולתו של מחשב קוונטי

שדה מוקשים קוונטי

הרעיון התיאורטי שהציע להשתמש בתכונות קוונטיות של החומר כדי לקודד מידע ביעילות הועלה כבר לפני עשרות שנים על ידי פיזיקאים רבים – ביניהם ריצ'רד פיינמן. אך גם היום קיימים עדיין מכשולים רבים שמונעים ייצור של מחשב כזה.

בבסיס המחשב הקוונטי עומד כאמור ה"קיוביט", שהוא יחידת המידע הבסיסית. על מנת לממש אותו יש צורך למצוא מערכת פיזיקלית שאפשר לשלוט ביעילות במצב הקוונטי שלה ולהקנות לה ערך מסוים של 0 או 1, או הסתברות כלשהי למדוד אותה באחד מהם. דוגמאות למערכות קוונטיות טיפוסיות הן פוטונים בודדים של אור או אלקטרונים בחומר, אך אורך החיים שלהם קצר מדי ולא מאפשר חישוב משמעותי.

גוגל וחברות נוספות בחרו לפתח מחשבים המבוססים על לולאות זעירות של מוליכי-על, שיכולים ליצור זרם חשמלי שיזרום בשני הכיוונים במקביל. עד כה הצליחו ליצור כך קיוביט שיהיה יציב למשך כ-50 מיקרושניות (מיליוניות השנייה), די זמן כדי לאפשר חישוב קוונטי.

גם לאחר שתימצא דרך לייצר קיוביטים ולקודד בהם מידע, ואפילו אחרי שנדע איך להעביר מידע בין קיוביטים שונים כדי לבצע חישוב, עדיין יישארו שתי בעיות משמעותיות: בעיית המדידה, ותיקון שגיאות.

טיבם הקוונטי של הקיוביטים אינו מאפשר לחלץ מהם את המידע בקלות כמו מביטים רגילים של מידע. מדידה פשוטה של קיוביט המייצג "מצב ביניים" בין 0 ל-1 תגרום לו "לבחור" במצב אחד מבין השניים ולאבד את המידע הנוגע ליחס בין שניהם. לכן צריך ליצור מערכת שתוכל "למדוד" את הקיוביט בלי להרוס את המידע הנוסף שאגר.

חוסר היכולת "למדוד" מצבים קוונטיים הוא גם אחד הגורמים לבעיה השנייה – תיקון שגיאות. בדומה למחשבים רגילים, גם מחשב קוונטי צריך לדעת להתמודד עם האפשרות שביט (או קיוביט) מסוים מייצג ערך שגוי. במחשב רגיל פותרים את זה בקלות יחסית על ידי העתקה של המידע והשוואתו. במחשב הקוונטי אי אפשר לעשות את זה, כי עצם הניסיון להעתיק "ימדוד" את הקיוביטים המשתתפים בקידוד שלו ולכן יהרוס אותם. בנוסף, הקיוביטים רגישים יותר לשגיאות מעצם מהותם לעומת ביטים רגילים, כיוון שהשפעה מזערית של קיוביט אחד על אחר, או של גורמים חיצוניים למערכת על הקיוביטים עצמם, נחשבת גם היא ל"מדידה", ועלולה ליצור שגיאה חדשה.

300 קיוביטים שזורים יוכלו לבצע בו זמנית יותר פעולות ממספר האטומים ביקום. מחשב קוונטי | צילום: Science Photo Library

מצמות ועד טופולוגיה

הבעיות האלה, יחד עם הקושי המעשי לשזור קיוביטים רבים ביחד, הן המכשולים העיקריים שמונעים כיום את הייצור של מחשב קוונטי. בנוסף, לכל אחת מהשיטות שהוצעו לפיתוח מחשב כזה יש בעיות נוספות הקשורות לאופן יצירתם של הקיוביטים – למשל הצורך לקרר מאוד מוליכי על, או הצורך במתח חשמלי גבוה מאוד כדי לשמור על אטומים בודדים במקום מוגדר. כל אלה מקשים על ייצור המוני שלהם.

כדי לעקוף חלק מהבעיות הללו, מיקרוסופט ומעבדות בל משקיעות כיום מאמצים רבים בכיוון שונה מעט ומנסות לפתח מערכות המבוססות על קיוביטים טופולוגיים. מדובר בשם מורכב למערכות פיזיקליות מורכבות לא פחות של אטומים רבים, המתנהגות להלכה כמו חלקיק בודד ולכן הן מכונות "חלקיקים למחצה", או "קוואזי-חלקיקים".

בניגוד למערכות הקוונטיות הבסיסיות, שבהן ה"מצב הקוונטי" הוא מצבו של אלמנט מסוים של חלקיק אחד, למשל ספין של אלקטרון או קיטוב של פוטון, במקרה הזה מדובר במערכת של חלקיקים רבים, שתכונות מסוימות במערכת ויחסי הגומלין בין המרכיבים שלה מדמות התנהגות של חלקיק בודד. חלקיקים כאלה אינם בהכרח חלקיקים "אמיתים" ויכולות להיות להם תכונות פיזיקליות אקזוטיות, שעשויות לסייע לשימוש בהן כקיוביטים.

יש לשיטה הזאת יתרונות פוטנציאליים רבים, ובראשם האפשרות להשתמש ב"קליעה" של כמה קיוביטים למעין קשר או "צמה". הקליעה הזו (אין לבלבל עם שזירה) מסייעת לייצב את הקיוביטים וחוסכת הרבה מתיקון השגיאות כיוון שחלק מהמידע המקודד נוגע לאופי ה"קשר" בין הקיוביטים ולא לערכים המיוצגים בהם, ולכן אינו "נהרס" בקלות על ידי מדידה בלתי מכוונת של המערכת. בבחינת "וְהַחוּט הַמְשֻׁלָּשׁ לֹא בִמְהֵרָה יִנָּתֵק".

אופן הקליעה של ה"צמה הקוונטית", מתבסס על תורה מתמטית השייכת לענף הטופולוגיה, ומכאן נגזר שמם. בניגוד לקיוביטים האחרים, הקיוביט הטופולוגי לא נצפה עד כה בניסוי, אך חברת "מיקרוסופט" ו"מעבדות בֶּל" משקיעות משאבים רבים בקידום הרעיון והתיאוריות המתמטיות הדרושות לשימוש בו.

המכשולים בדרך לייצור מחשב קוונטי כוללים צורך בקירור לטמפרטורה נמוכה מאוד ומתח חשמלי גבוה | צילום: Science Photo Library

מפענוח צפנים ועד הדמיות

נשאלת השאלה מדוע בעצם להתאמץ כל כך? מה יהיה החידוש הגדול בביצועיו של המחשב הקוונטי? אחת התשובות היא שיפור משמעותי ביעילות. לכאורה כל מחשב מסוגל לבצע (כמעט) כל חישוב, פרט לבעיות מסוימות שאותן כנראה גם המחשבים הקוונטיים לא יוכלו לפצח, אך מספר הפעולות ומשך הזמן שידרש להן עלולים לגדול לעתים לרמה בלתי אפשרית.

שיטות עיבוד מידע שישתמשו בשערים קוונטיים הפועלים על קיוביטים בודדים או שזורים יוכלו לקצר משמעותית את זמני החישוב של בעיות כאלה, ובראשן את בעיית ההצפנה. מרבית טכניקות ההצפנה נעזרות בעובדה שפירוק של מספר גדול לגורמים ראשוניים הוא פעולה מסובכת ותובענית. אך יש שיטות, כמו אלגוריתם שור, שמסוגלות לכאורה לפצח הצפנה כזו בזמן מועט באמצעות מחשב קוונטי.

תחום נוסף שבו יש התעניינות רבה במחשוב קוונטי הוא חיפוש ועיבוד מידע בנתוני עתק ("ביג דאטה") – ענף במדעי המחשב שמשגשג בשנים האחרונות ודוחק את ביצועי המחשבים הקיימים כיום אל קצה גבול היכולת. שימוש באלגוריתמים קוונטיים יוכל לקצר משמעותית את זמני החיפוש והעיבוד של מידע האגור בנתוני העתק הללו.

עיקר היתרון של המחשב הקוונטי במקרים האלה הוא יכולתו לקצר את זמני החישוב, אך יש הטוענים כי מדובר ב"עליונות" של ממש שמאפשרת למחשב קוונטי לבצע פעולות, שבמחשב רגיל היו נמשכות יותר זמן מגילו של היקום. צוות החוקרים במעבדות הפיתוח של גוגל, בראשותו של ג'ון מרטיניס (Martinis), פרסם מאמר שבו הסביר איך יהיה אפשר באמצעות 50 קיוביטים בלבד לבצע חישוב שנבצר לחלוטין מיכולתו של מחשב רגיל.

קו דומה מובילים חוקרים שטוענים כי יתרונו של המחשב הקוונטי יהיה בכך שהוא יוכל לבצע הדמיות מולקולריות של חומרים חדשים, תוך התחשבות באפקטים קוונטיים כבר בתהליך החישוב. כדי לדמות אפקטים כאלה כיום צריך תוכנות ייחודיות שיחשבו את תרומתם של האפקטים הקוונטיים. בשימוש מושכל יהיה אפשר להבנות את ההתחשבות באפקטים האלה בעצם פעולתו של המחשב הקוונטי.

המירוץ אחר המחשוב הקוונטי נמצא אם כך בעיצומו וייתכן שהוא מגיע סוף סוף לישורת האחרונה. נכון שיש עדיין בעיות פיזיקליות ניסיוניות שלא נפתרו, אך בינתיים כבר מתפתחת תיאוריה חדשה של מדעי המחשב שמנסה להבין איך נוכל לנצל את התכונות הקוונטיות הללו כדי לייצג מידע ובעיקר לעבד אותו ביעילות.

מה שברור כבר עכשיו הוא שתידרש לשם כך שיטה חדשה לייצוג המידע ועיבודו. שיטה כזאת תוכל להשתמש בתכונות הקוונטיות של הקיוביט, שמאפשרות לבצע חישובים במקביל ובאותו זמן, תוך שימוש בפעולות לוגיות שונות בתכלית מאלה שמוכרות לנו במחשבים הדיגיטליים של ימינו.