סדרת פריצות דרך במחשוב קוונטי
מחשב רגיל, שמכונה כיום מחשב קלאסי או מסורתי, עובד על המושג הבסיסי של 0 ו-1 (אפסים ואחדים). כשאנחנו שואלים את המחשב כדי לבצע עבורנו משימה, למשל חישוב מתמטי או הזמנת פגישה או כל דבר הקשור לחיי היום יום, משימה זו ברגע הנתון מומרת (או מתורגמת) למחרוזת של 0 ו-1 (שנקראת אז קלט), קלט זה מעובד על ידי אלגוריתם (מוגדר כמערכת של כללים שיש לפעול לפיהם כדי להשלים משימה במחשב). לאחר עיבוד זה, מחרוזת חדשה של 0 ו-1 מוחזרת (נקראת הפלט), וזו מקודדת לתוצאה הצפויה ומתורגמת חזרה למידע פשוט יותר ידידותי למשתמש כ"תשובה" למה שהמשתמש רצה שהמחשב יעשה . זה מרתק שלא משנה כמה חכם או חכם האלגוריתם עשוי להיראות ומה תהיה רמת הקושי של המשימה, אלגוריתם מחשב עושה רק את הדבר האחד הזה - מניפולציה של מחרוזת ביטים - כאשר כל ביט הוא 0 או 1. מניפולציה מתרחשת במחשב (בקצה התוכנה) וברמת המכונה זה מיוצג על ידי מעגלים חשמליים (על לוח האם של המחשב). במינוח החומרה כאשר זרם עובר דרך המעגלים החשמליים הללו, הוא סגור ופתוח כאשר אין זרם.
מחשב קלאסי לעומת קוואנטום
לכן, במחשבים קלאסיים, bit הוא פיסת מידע בודדת שיכולה להתקיים בשני מצבים אפשריים - 0 או 1. עם זאת, אם נדבר על קוונטי מחשבים, הם בדרך כלל משתמשים בסיביות קוונטיות (נקראות גם 'קיוביטים'). אלו הן מערכות קוונטיות בעלות שני מצבים, אולם בניגוד לביט הרגיל (שמאוחסן כ-0 או 1), קיוביטים יכולים לאחסן הרבה יותר מידע ויכולים להתקיים בכל הנחה של ערכים אלו. כדי להסביר בצורה טובה יותר, ניתן לחשוב על קיוביט ככדור דמיוני, כאשר קיוביט יכול להיות כל נקודה בכדור. ניתן לומר שהמחשוב הקוונטי מנצל את יכולתם של חלקיקים תת-אטומיים להתקיים ביותר ממצב אחד בכל זמן נתון ועדיין להיות סותר זה את זה. מצד שני, ביט קלאסי יכול להיות רק בשני מצבים - למשל בקצה שני קטבים של הכדור. בחיים הרגילים איננו מסוגלים לראות את ה'סופרפוזיציה' הזו מכיוון שברגע שמערכת נראית בשלמותה, הסופרפוזיציות הללו נעלמות וזו הסיבה שההבנה של סופרפוזיציות כאלה אינה ברורה.
המשמעות של זה עבור המחשבים היא שמחשבים קוונטיים המשתמשים בקיוביטים יכולים לאחסן כמות עצומה של מידע תוך שימוש באנרגיה קטנה יותר ממחשב קלאסי וכך ניתן לבצע פעולות או חישובים באופן יחסי הרבה יותר מהר במחשב קוונטי. אז, מחשב קלאסי יכול לקחת 0 או 1, שני ביטים במחשב זה יכולים להיות בארבעה מצבים אפשריים (00, 01, 10 או 11), אבל רק מצב אחד מיוצג בכל זמן נתון. מחשב קוונטי, לעומת זאת, עובד עם חלקיקים שיכולים להיות בסופרפוזיציה, ומאפשר לשני קיוביטים לייצג את אותם ארבעת המצבים בדיוק בו-זמנית בגלל התכונה של סופרפוזיציה המשחררת את המחשבים מ'אילוץ בינארי'. זה יכול להיות שווה ערך לארבעה מחשבים הפועלים בו-זמנית ואם נוסיף את הקיוביטים הללו, הכוח של המחשב הקוונטי גדל באופן אקספוננציאלי. מחשבים קוונטיים מנצלים גם תכונה נוספת של הפיזיקה הקוונטית הנקראת 'הסתבכות קוונטית', שהוגדרה על ידי אלברט איינשטיין, הסתבכות היא תכונה המאפשרת לחלקיקים קוונטיים להתחבר ולתקשר ללא קשר למיקומם עוֹלָם כך ששינוי מצבו של אחד עלול להשפיע באופן מיידי על השני. היכולות הכפולות של 'סופרפוזיציה' ו'הסתבכות' הן די חזקות באופן עקרוני. לכן, מה שמחשב קוונטי יכול להשיג הוא בלתי נתפס בהשוואה למחשבים קלאסיים. כל זה נשמע מאוד מרגש ופשוט, עם זאת, יש בעיה בתרחיש הזה. מחשב קוונטי, אם לוקח קווביטים (סיביות סופרפוזיות) כקלט שלו, הפלט שלו יהיה גם כן במצב קוונטי כלומר פלט בעל סיביות סופרפוזיות שיכול גם להשתנות בהתאם למצב שבו הוא נמצא. זה לא באמת מאפשר לנו לקבל את כל המידע ולכן האתגר הגדול ביותר באמנות המחשוב הקוונטי הוא למצוא דרכים להשיג כמה שיותר מידע מהפלט הקוונטי הזה.
מחשב קוונטי יהיה כאן!
ניתן להגדיר מחשבים קוונטיים כמכונות עוצמתיות, המבוססות על עקרונות מכניקת הקוונטים הנוקטות בגישה חדשה לחלוטין לעיבוד מידע. הם מבקשים לחקור חוקי טבע מורכבים שתמיד היו קיימים אך בדרך כלל נשארו חבויים. אם ניתן לחקור תופעות טבע כאלה, מחשוב קוונטי יכול להפעיל סוגים חדשים של אלגוריתמים לעיבוד מידע וזה עלול להוביל לפריצות דרך חדשניות במדעי החומרים, גילוי תרופות, רובוטיקה ובינה מלאכותית. הרעיון של מחשב קוונטי הוצע על ידי הפיזיקאי התיאורטי האמריקאי ריצ'רד פיינמן כבר בשנת 1982. וכיום, חברות טכנולוגיה (כגון IBM, מיקרוסופט, גוגל, אינטל) ומוסדות אקדמיים (כמו MIT ואוניברסיטת פרינסטון) עובדים על קוונטי. אבות טיפוס של מחשב ליצירת מחשב קוונטי מיינסטרים. International Business Machines Corp. (IBM) אמרה לאחרונה כי המדענים שלה בנו פלטפורמת מחשוב קוונטי רבת עוצמה וניתן להפוך אותה לזמינה לגישה, אך ציין שהיא לא מספיקה לביצוע רוב המשימות. הם אומרים שאב טיפוס של 50 קיוביטים שנמצא כעת בפיתוח יכול לפתור בעיות רבות שמחשבים קלאסיים עושים היום ובעתיד מחשבי 50-100 קיוביטים ימלאו במידה רבה את הפער, כלומר מחשב קוונטי עם כמה מאות קיוביטים בלבד יוכל לבצע יותר חישובים בו זמנית ממה שיש אטומים בידוע עוֹלָם. באופן מציאותי, הדרך למקום שבו מחשב קוונטי יכול למעשה להתעלות על מחשב קלאסי במשימות קשות עמוסה בקשיים ואתגרים. לאחרונה הכריזה אינטל כי המחשב הקוונטי החדש של החברה בנפח 49 סיביות מייצג צעד לקראת "עליונות קוונטית" זו, בהתקדמות גדולה עבור החברה שהדגימה מערכת קיוביט של 17 סיביות רק לפני חודשיים בלבד. העדיפות שלהם היא להמשיך ולהרחיב את הפרויקט, בהתבסס על ההבנה שהרחבת מספר הקיוביטים היא המפתח ליצירת מחשבים קוונטיים שיכולים לספק תוצאות בעולם האמיתי.
החומר הוא המפתח לבניית מחשב קוונטי
החומר סיליקון היה חלק בלתי נפרד מהמחשוב במשך עשרות שנים, מכיוון שמערכת היכולות העיקרית שלו הופכת אותו למתאים היטב למחשוב כללי (או קלאסי). עם זאת, בכל הנוגע למחשוב קוונטי, פתרונות מבוססי סיליקון לא אומצו בעיקר בגלל שתי סיבות, ראשית קשה לשלוט על קיוביטים המיוצרים על סיליקון, ושנית, עדיין לא ברור אם קיוביטים של סיליקון יכולים להתרחב כמו גם אחרים פתרונות. בהתקדמות גדולה אינטל התפתחה לאחרונה1 סוג חדש של קיוביט המכונה 'קיוביט ספין' המיוצר על סיליקון רגיל. ספין קיוביטים דומים מאוד לאלקטרוניקה מוליכים למחצה והם מספקים את הכוח הקוונטי שלהם על ידי מינוף ספין של אלקטרון בודד במכשיר סיליקון ושליטה בתנועה עם פולסים זעירים במיקרוגל. שני יתרונות מרכזיים שהובילו לאינטל להתקדם בכיוון זה הם, ראשית, אינטל כחברה כבר מושקעת רבות בתעשיית הסיליקון ולכן יש לה את המומחיות הנכונה בסיליקון. שנית, קיוביטים של סיליקון מועילים יותר מכיוון שהם קטנים יותר מקיוביטים קונבנציונליים, והם צפויים לשמור על קוהרנטיות לפרק זמן ארוך יותר. יש לכך חשיבות עליונה כאשר יש להגדיל את מערכות המחשוב הקוונטי (למשל מעבר מ-100 קיוביטים ל-200 קיוביטים). אינטל בוחנת את אב הטיפוס הזה והחברה מצפה לייצר שבבים בעלי אלפי מערכי קיוביט קטנים וייצור כזה, כאשר הוא נעשה בכמויות, יכול להיות טוב מאוד להגדלת המחשבים הקוונטים ויכול להיות מחליף משחק אמיתי.
במחקר שפורסם לאחרונה ב מדע, דפוס חדש שעוצב עבור גבישים פוטוניים (כלומר עיצוב גבישי מיושם על שבב פוטוני) פותח על ידי צוות באוניברסיטת מרילנד, ארה"ב, שלטענתם יהפוך מחשבים קוונטיים לנגישים יותר2. פוטונים אלו הם כמות האור הקטנה ביותר הידועה והגבישים הללו התבצרו עם חורים שגורמים לאור לקיים אינטראקציה. דפוסי חורים שונים משנים את האופן שבו האור מתכופף ומקפץ דרך הגביש וכאן נוצרו אלפי חורים משולשים. שימוש כזה בפוטונים בודדים חשוב לתהליך יצירת מחשבים קוונטיים מכיוון שלמחשבים תהיה יכולת לחשב מספרים גדולים ותגובות כימיות שהמחשבים הנוכחיים לא מסוגלים לעשות. עיצוב השבב מאפשר העברת פוטונים בין מחשבים קוונטיים להתרחש ללא הפסדים. הפסד זה נתפס גם כאתגר גדול עבור מחשבים קוונטיים ולכן השבב הזה מטפל בבעיה ומאפשר מסלול יעיל של קוונטי מידע ממערכת אחת לאחרת.
שלנו
מחשבים קוונטיים מבטיחים להריץ חישובים הרבה מעבר לכל מחשב-על רגיל. יש להם פוטנציאל לחולל מהפכה בגילוי חומרים חדשים בכך שהם מאפשרים לדמות התנהגות של חומר עד לרמה האטומית. זה גם בונה תקווה לבינה מלאכותית ורובוטיקה על ידי עיבוד נתונים מהיר ויעיל יותר. אספקת מערכת מחשוב קוונטי ראויה מבחינה מסחרית יכולה להיעשות על ידי כל אחד מהארגונים הגדולים בשנים הקרובות, מכיוון שהמחקר הזה עדיין פתוח ומשחק הוגן לכולם. הכרזות גדולות צפויות בחמש עד שבע השנים הקרובות, ובאופן אידיאלי עם סדרת ההתקדמות המתבצעת, יש לטפל בבעיות הנדסיות ומחשב קוונטי של מיליון או יותר קיוביטים אמור להיות מציאות.
***
{תוכל לקרוא את עבודת המחקר המקורית על ידי לחיצה על קישור ה-DOI המופיע להלן ברשימת המקורות המצוטטים}
מקור (ים)
1. Castelvecchi D. 2018. סיליקון תופס מקום במירוץ מחשוב קוונטי. טֶבַע. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. ממשק אופטיקה קוונטית טופולוגית. מַדָע. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
