הקפיצה הקוונטית, תתרחש או לא תתרחש?

מחשוב קוונטי הוא אחד החלומות הגדולים של המין האנושי: לרתום את הכוחות הפיזיקליים שיסייעו בכל משימה חישובית במהירות וביעילות בלתי נתפשות. בכל העולם וגם בישראל כבר מציגים הישגים, אבל היעד הסופי עוד רחוק מהשגה

אסף רונאל
שתפו בפייסבוק
שתפו כתבה במיילשליחת הכתבה באימייל
שתפו כתבה במיילשליחת הכתבה באימייל
מעבר לטוקבקיםכתוב תגובה
הדפיסו כתבה
המחשב הקוונטי של IBM. נתניהו הבטיח להפוך את ישראל למעצמת קוונטים
אסף רונאל

משתתפי כנס הקוונטים שהיה באמצע ספטמבר באוניברסיטת תל אביב קיבלו טעימה קטנה מהעתיד. כמה עשרות משתתפים באחת הסדנאות, בעיקר סטודנטים לתארים מתקדמים, הוזמנו להתחבר למחשב הקוונטי של IBM ולערוך חישובים בכימיה קוונטית. במסגרת הכנס הסביר אחד מאנשי חטיבת הקוונטים של IBM כיצד לחשב את רמת האנרגיה היסודית של מולקולת מימן. על רקע הפרסומים המופיעים חדשות לבקרים על פריצות דרך בתחום המחשוב הקוונטי ועל "המהפכה הקוונטית" המתרגשת ובאה, התמודדות עם שאלות לא פתורות בתחום הכימיה נחשבת לאחד מהיישומים הראשונים שבהם מחשבים קוונטיים צפויים לעשות את השינוי המשמעותי והמהיר ביותר.

רבים מזהים את הפוטנציאל שיש בטכנולוגיה החדשה. לפני למעלה משנה הכריז ראש הממשלה, בנימין נתניהו, כי בכוונתו להפוך את ישראל למעצמת קוונטים. "לפני כמה שנים הודעתי שאנחנו נהפוך את ישראל למעצמת סייבר. היו ששאלו מה זה סייבר, אחר כך היו כאלה שלא האמינו שאנחנו נהפוך למעצמה. היום כולם מבינים את חשיבותו. מה שאנחנו מדברים עליו פה היום הוא קידומה של ישראל כגורם עולמי בחישוב קוונטים. תזכרו את המונח הזה", אמר נתניהו. בין בליל ההצהרות והדיווחים האופטימיים, כדאי לעצור ולשאול עד כמה מהפכה זו צפויה לשנות סדרי עולם, באילו תחומים, מתי זה יקרה ואיך מדינת ישראל נערכת לעתיד הקוונטי.

בעיית הגוף השחור

כשמדברים על "העידן הקוונטי", רבים טוענים שאנחנו נמצאים עמוק בעיצומו כבר עשרות שנים. במידה רבה, בבסיס הטכנולוגיה של ימינו, מחשבים, לייזרים, גלאים ואינטרנט, מסביר פרופ' נדב כ"ץ מהאוניברסיטה העברית, עומדים החישובים הקוונטיים של התנהגות האלקטרון והפוטון. "הרעיונות שעליהם מבוססת הבנייה של מחשבים ומערכות תקשורת אלקטרוניות היו קיימים כבר במאה ה–19, אבל לא היתה להם החומרה המתאימה", אומר פרופ' כ"ץ. הוא מזכיר את עבודתו של המתמטיקאי הבריטי צ'רלס בבג' ומכונות החישוב שהוא בנה ואת שפופרות הוואקום שמהן ניסו לבנות מחשבים עד להמצאת הטרנזיסטור ב–1948. "בלי המהפכה הקוונטית הראשונה מחשבים היו נותרים רעיונות תיאורטיים על הנייר".

תחילת הדרך של המכניקה הקוונטית, מסביר פרופ' ירון עוז, רקטור אוניברסיטת תל אביב וראש המכון החדש לטכנולוגיה קוונטית של האוניברסיטה שבכנס הכריזו על הקמתו, היתה עם הפיזיקאי הגרמני מקס פלאנק. הוא חקר בעיה שהטרידה חוקרים בסוף המאה ה–19, בעיית "גוף שחור". גוף שחור הוא מושג אידיאלי, המתאר גוף הבולע את כל הקרינה האלקטרומגנטית לכל אורכי הגל. לצורך העניין, אפשר להקביל את הגוף השחור לתנור בישול מבודד לחלוטין. באותן שנים התייחסו הפיזיקאים לקרינה אלקטרומגנטית כאל גל, וכשחישבו את כמות האנרגיה שיש בתוך תנור כזה לפי הנוסחאות שהיו בידיהם, הם הגיעו לתוצאה שמדובר באנרגיה אינסופית — תוצאה לא סבירה בעליל.

איינשטיין. הפרדוקס הוביל לגילוי תכונת השזירה, היסודית בטכנולוגיה הקוונטית
איינשטיין. הפרדוקס הוביל לגילוי תכונת השזירה, היסודית בטכנולוגיה הקוונטיתצילום: גטי אימג'ס

בשנת 1900 מצא פלאנק מוצא מן הסבך הזה: הוא הציע שאנרגיית הקרינה של גוף שחור בטמפרטורה קבועה היא בדידה. במלים אחרות, האור מתנהג גם כגל וגם כאוסף חלקיקים בעלי יחידות אנרגיה בדידות (שנקראות פוטונים). חמש שנים מאוחר יותר הסביר אלברט איינשטיין את האפקט הפוטואלקטרי באמצעות ההתנהגות החלקיקית של האור, עבודה שזיכתה אותו בפרס נובל.

בשנות העשרים התפתחה המכניקה הקוונטית במהירות. הפיזיקאי הדני נילס בוהר תרם להבנת ההתנהגות הדואלית של חלקיק וגל, הפיזיקאי הגרמני ורנר הייזנברג ניסח את "עקרון אי הוודאות" הקרוי על שמו והפיזיקאי האוסטרי ארווין שרדינגר גילה את המשוואה הבסיסית של המכניקה הקוונטית. התפתחויות אלה הובילו להבנה, שחלקיק אור או חלקיקים אחרים (כמו האלקטרון) יכולים להימצא ב"סופרפוזיציה". משמעות הסופרפוזיציה היא שאם חלקיק נע בין נקודה א' לנקודה ב', הוא בעצם נע בו זמנית בכל המסלולים שבין שתי הנקודות — כל עוד לא מודדים אותו. בנוסף, מסביר פרופ' עוז, לכל אחד מהמסלולים יש "משקל" שונה (הגורם לכך שיש הסתברות שונה למציאת החלקיק במסלול מסוים בעת מדידה), ותכונה זו מאפשרת לפיזיקאים ולאנשי המחשוב הקוונטי להיעזר במצבים הקוונטיים כך שתנועה במסלולים מסוימים תתחזק, ואילו מסלולים אחרים יבטלו זה את זה.

בשנת 1935 ניסחו איינשטיין, בוריס פודולסקי ונתן רוזן (מייסד הפקולטה לפיזיקה בטכניון) פרדוקס במכניקה הקוונטית, הקרוי על שמם. הם ביקשו לערער את תקפותה של מכניקת הקוונטים, אולם במקום זאת, הפרדוקס שניסחו הוביל לגילוי תכונה נוספת של העולם הקוונטי, הקרויה "שזירה": חלקיקים השזורים זה בזה מגיבים אחד לשינוי בשני בו־זמנית גם אם הם נמצאים בשני מקומות שונים ומרוחקים, תכונה המשמשת אבן יסוד באלגוריתמים ובטכנולוגיה קוונטיים.

פרופ' ירון עוז

כיום אנשי מדעי המחשב לא מקבלים הכשרה מספקת במכניקת הקוונטים, וחוקרי הקוונטים אינם חשופים בדרך כלל לה
פרופסור ירון עוז
פרופסור ירון עוזצילום: אוניברסיטת תל אביב

עוד לפני בניית מחשבים קוונטיים, חוקרים ברחבי העולם רותמים את עקרונות המכניקה הקוונטית — הסופרפוזיציה והשזירה — לפיתוח טכנולוגיות חדשות. גישה אחת מסתמכת על הרגישות הרבה של המצבים הקוונטיים: כל הפרעה קטנה יכולה לשנות את מצבו של חלקיק ולהוציא אותו מהסופרפוזיציה שבה הוא נמצא. בהתאם לכך, מדעניות ומדענים מנסים לכוונן רגישות זו כך שהסופרפוזיציה תקרוס במצבים מסוימים, כדי לייצר חיישנים שמסוגלים לזהות הבדלים דקים שהחיישנים הקיימים עיוורים להם.
כבר היום אחד החיישנים החשובים בטכנולוגיה המודרנית, השעון האטומי (המודד בדיוק רב זמן ותדר), מבוסס על המכניקה הקוונטית. בלי שעונים אטומיים לא היתה לנו, בין השאר, אפשרות לבנות מערכות ניווט לווייני מדויקות. כיום, אומר פרופ' עוז, מנסים לבנות חיישנים מדויקים עוד יותר למדידת זמן. מכיוון שלפי תורת היחסות של איינשטיין עוצמת הכבידה משפיעה על קצב מעבר הזמן, חיישני זמן מדויקים מספיק יוכלו לשמש למדידת שינויים בכוח הכבידה ולגילוי מה מסתתר תחת הקרקע (כמו תנועת מגמה, שדות נפט או מנהרות). מכיוון שכבידה ותאוצה הן שקולות, גישה זו יכולה לשמש לבניית מדי תאוצה מדויקים להפליא (החיוניים לפיתוח של מכוניות אוטונומיות אמינות, שחייבות לדעת בכל רגע נתון היכן הן נמצאות).

חיישנים קוונטיים אחרים יוכלו לחוש שינויים בגורמים כמו עוצמת השדות המגנטיים או החשמליים, וגם שינויים ביולוגיים וכימיים. פרופ' כ"ץ מספר שסטארט־אפ שצמח מתוך האוניברסיטה העברית בונה חיישנים קוונטיים לזיהוי סרטן, והפיתוח נמצא כבר בשלב הניסויים בבעלי חיים, כדי לבדוק אם הגישה יעילה יותר מהשיטות הקיימות.
הצפנה קוואנטית

הסופרפוזיציה והשזירה מאפשרות כבר היום לטכנולוגיה קוונטית נוספת לקרום עור וגידים: תקשורת קוונטית מאובטחת. הרעיון של העברת מידע בעזרת מצבים קוונטיים הוצע לראשונה בשנות השבעים. לפי התיאוריה, אם המידע מקודד בפוטונים ונשלח בין תחנות שזורות, אין לגורם שלישי אפשרות לצותת לו בלי להתגלות, כי כאשר הוא ימדוד את הפוטונים הוא ישנה את מצבם באופן בלתי הפיך. פרופ' עוז אומר שהבעיה העיקרית של תקשורת קוונטית כזאת היא הבידוד מרעשים, שישמור על הפוטונים במצבם הקוונטי. קשיים אלה מגבילים את אורכן של מערכות תקשורת קוונטית. למרות זאת, סין הצליחה בשנים האחרונות להשתמש בלוויין ובתחנות על פני הקרקע כדי להדגים העברת מידע בעזרת שזירה קוונטית במרחק של יותר מאלף קילומטר.
פרופ' כ"ץ מוסיף כי סטארט־אפ ישראלי (גם הוא צמח מתוך האוניברסיטה העברית) מפתח שכלול של שיטות התקשורת הקוונטית הקיימות במטרה לייצר כלי תקשורת יעילים, אמינים וזולים יותר מהקיימים בשוק, תוך שמירה על רמת האבטחה המושלמת שהקוונטים מאפשרים. 

כיוון נוסף שבו יכולות האבטחה העילאיות של התקשורת הקוונטית עשויות להועיל הוא יצירת כסף קוונטי. רק הבנק שייצר את הכסף הזה יידע איך לקרוא אותו, וכך ימנע אפשרויות זיוף בוודאות העולה על כל מה שבלוקצ'יין מסוגל לעשות. שאלת האבטחה ומגבלותיה היא גם הדוגמה הראשונה שניתנת כשמדברים על יכולותיו של המחשב הקוונטי, שאם יתגשמו יהפכו חלק ניכר ממנגנוני ההצפנה של התקשורת הדיגיטלית, כולל בלוקצ'יין, ללא רלוונטיים.

אם כן, מהו מחשב קוונטי? רכיב היסוד של מחשב קלאסי הוא הטרנזיסטור, שיכול להיות בשני מצבים, כבוי או דלוק, או, בתרגום לקוד הבינארי, אפס או אחת. אולם בניגוד למחשב רגיל, ביט קוונטי, שנקרא בקיצור קיוביט, יכול להיות בשני המצבים בעת ובעונה אחת. כמו כן, בזכות השזירה כל הקיוביטים יכולים להיות מחוברים זה ולהעניק למחשב יכולת מקביליוּת שלא קיימת במחשב קלאסי. כל קיוביט שנוסף למחשב הקוונטי מכפיל את מספר דרגות החופש (מספר הקשרים שיכולים להתקיים במקביל בין הקיוביטים) שניתן להשתמש בהן למחשוב. לכן מחשב עם 300 קיוביטים יחזיק ב–2 בחזקת 300 דרגות חופש — יותר ממספר כל האטומים ביקום גם יחד (שמוערך ב–10 בחזקת 80).

אבל כדי שמחשב כזה יפעל, הקיוביטים צריכים להישאר בסופרפוזיציה ושזורים במצב קוונטי, ומצב קוונטי קורס (בהגדרה) כאשר מודדים אותו. לכן אלגוריתמים קוונטיים יכולים להועיל רק כאשר יודעים לתכנן אותם כך שהגלים (או המשקלים) הרצויים יתחזקו והמיותרים יתבטלו — לכוון את מבנה האלגוריתם כך שיפיק תוצר מעניין בלי שנצטרך למדוד אותו ולגרום לקריסה בלתי רצויה של פונקציית הגל. זו סיבה אחת לכך שיצירת מחשב קוונטי אוניברסלי — שיחליף את המחשבים הקלאסיים על כל שימושיהם — היא אתגר מורכב במיוחד.

המחשב הקוונטי של IBM. בטבע החומרה ועיבוד המידע שזורים זה בזה
המחשב הקוונטי של IBM. בטבע החומרה ועיבוד המידע שזורים זה בזהצילום: IBM Research, גטי אימג'ס

בה בעת החוקרים מתכננים ומנסים לבנות מחשבי קוונטים למשימות ייעודיות, כדי להציג לראשונה את מה שמכונה "עליונות קוונטית" או "יתרון קוונטי": להראות שמחשב קוונטי קיים מסוגל לבצע משימה מסוימת שמחשב קלאסי לא יכול להשלים, או כזו שמחשב קלאסי יוכל להשלים אבל בזמן לא סביר.

הדוגמה הראשונה למקום שבו המחשב הקוונטי יוכל להראות עליונות היא ספר הטלפונים: אין שום קושי למצוא מספר בספר טלפונים לפי שם, אבל למצוא שם לפי מספר זו כבר משימה לא פשוטה. למעשה, הדרך היחידה של אדם, או מחשב קלאסי, לפתור בעיה זו היא לקרוא את המספרים אחד אחרי השני עד למציאת המספר הנכון (בממוצע יהיה צורך לדגום חצי מספר הטלפונים). אולם מחשב קוונטי, שמשתמש באלגוריתם גרובר (שנקרא על שם מחברו לב גרובר), יכול להיעזר ביכולת המקביליוּת של הקיוביטים כדי להשלים את המשימה במספר דגימות שהוא שורש מספר הערכים בספר הטלפונים.

דוגמה נוספת לכיוון שבו החוקרים מתקדמים על מנת להגיע ולהראות את היתרון של מחשבי הקוונטים הוא אלגוריתם שור, שעל הנייר אמור להפוך את כל ההצפנה המקובלת בעולם הדיגיטלי ללא רלוונטית. עקרון היסוד של ההצפנה היום הוא כי בהינתן מספר כלשהו אין דרך, מלבד בניסוי וטעייה, לחשב ממכפלת אילו שני מספרים ראשוניים הוא מורכב. כשמדובר במספרים נמוכים (למשל 15 או 77) אין עם זה בעיה. אבל כשמגיעים למספרים מרובי ספרות, ניסוי וטעייה אלה יכולים להימשך מיליוני שנים גם עם מחשבים חזקים במיוחד.

כמו שהשקיעו מאמצים וכסף בשיפור שפופרות הוואקום ואז נטשו אותן, כך ייתכן שימצאו טכנולוגיה שלישית במקום השיטות המובילות כיום, שתיקח אותנו אל היעד של המחשוב הקוונטי המלא"

פרופ' נדב כ"ץ
נדב כץ
נדב כץצילום: מיכאל יקירביץ'/ האוניברסיטה העברית

האלגוריתם מנצל את המקביליוּת הקוונטית יחד עם האפשרות להנדס את המשקלים השונים של המצב האפשרי של הקיוביט, כך שכשמגיעים לנקודה שבה מודדים את התוצאה היא תיתן את המספרים הראשוניים, או לפחות כפולות שלהם. אלגוריתם זה הוצג לראשונה על ידי מחברו, המתמטיקאי האמריקאי פיטר שור, בשנות התשעים. על פניו, היום שבו אלגוריתם זה יפעל על מחשב קוונטי, עם כוח חישוב מספיק כדי להוציא משימוש את שיטות האבטחה הקיימות, כבר מסתמן באופק הרחוק. אבל בינתיים חוקרות וחוקרים עובדים על פיתוח פתרונות לסגירת פרצה זו, ולפי פרופ' כ"ץ יש היום דרכים חישוביות למנוע את פשיטת הרגל של מערכות האבטחה הדיגיטליות בעולם — והשאלה העיקרית היא אם הן ייושמו לפני שמחשבי הקוונטים ייכנסו לפעולה.

סימולציה של הטבע

מלבד האבטחה וכשליה, כיום מדברים על כמה יישומים מרכזיים שבהם הדור הראשון של המחשבים הקוונטיים יוכל לייצר יתרון איכותי על פני המחשב הקלאסי. לפי נעם זכאי, מנהל הפיתוח העסקי באירופה של חטיבת הקוונטים של IBM (שכמו גוגל ומיקרוסופט משקיעה מיליארדים במחקר ופיתוח בתחום מחשבי הקוונטים), היישום הראשון שצפוי להתממש הוא לאופטימיזציה של מידע: גופים שונים, למשל במגזר הפיננסי, מתמודדים היום עם כמויות מידע אדירות במספר רב של פרמטרים. למשל, אומר זכאי, לבנקאי שעושה אנליזת סיכונים, שימוש במחשב קוונטי שיוכל לתת לו יתרון, אפילו מזערי, על מתחריו, יכול להיות ההבדל בין רווח להפסד. 

יישום שני שמזכיר זכאי הוא אימון של בינה מלאכותית. כיום, כדי ללמד רשתות בינה מלאכותית מזינים למחשב מיליוני דימויים, שמהם המחשב צריך להסיק את מסקנותיו. לדברי זכאי, מחשבי הקוונטים לא יוכלו להחליף את המחשב הקלאסי בשימוש בבינה מלאכותית, אבל הוא סבור שבקרוב הם יוכלו לייעל ולהאיץ את שלב האימון.
והיישום השלישי, שהפוטנציאל המהפכני שלו, נכון להיום, הוא המשמעותי ביותר, הוא בכימיה קוונטית ובסימולציה של מולקולות. למעשה, לשימוש זה התייחס אחד מגדולי הפיזיקאים של המאה ה–20, ריצ'רד פיינמן, בהרצאה שנשא בברקלי בשנת 1981 ונחשבת היום לאחת מאבני הדרך החשובות של המחשוב הקוונטי. הטבע הוא קוונטי, אמר אז פיינמן. אם רוצים לעשות סימולציה מדויקת של הטבע — צריך לבנות מכונה שיודעת לעשות סימולציה קוונטית. כשפיינמן אמר את הדברים, מחשבים קוונטיים היו בגדר רעיון תיאורטי. כמעט 40 שנה אחרי, הרעיון מתחיל ללבוש צורה במציאות.
כפי שמסביר פרופ' כ"ץ, "בטבע החומרה ועיבוד המידע שזורים זה בזה. הטבע עושה את הסימולציות של עצמו באופן מיידי, כי המידע מקודד בתוך החומר בצורה יעילה בהרבה מאשר בסימולציות הממוחשבות. בתוך הגוף שלנו מתבצעים חישובים ועיבוד מידע שמחשב־על לא יהיה מסוגל לעקוב אחרי מילי־שנייה מתוכם".

פרופסור עדי אריה
פרופסור עדי אריהצילום: אוניברסיטת תל אביב

"במחשב קלאסי אין אפשרות לעשות הדמיה של מולקולה מורכבת — לנבא את התכונות שלה — באופן מדויק", מוסיף פרופ' עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב, שאירגן את כנס הכימיה הקוונטית יחד עם פרופ' עודד הוד מבית הספר לכימיה ופרופ' אמנון תא־שמע מבית הספר למדעי המחשב. "למעשה, היום משתמשים החוקרים במחשבי־על גם כדי לעשות סימולציות של מולקולות פשוטות. מגבלות אלה הופכות תהליכי פיתוח של חומרים כמו מוליכי־על ותרופות חדשות במידה רבה לתהליכים של ניסוי וטעייה".

בסדנת החישוב הקוונטי בכנס קיבלו המשתתפים גישה למחשב Quantum Experience של IBM, שמציע למשתמשים בכל רחבי העולם גישה למחשבי קוונטים עם חמישה ו–16 קיוביטים דרך הענן. מטרת הסדנה, הסביר פרופ' אריה, היתה לחשוף בפני החוקרים והתעשייה בישראל את הפוטנציאל של שימוש במחשוב הקוונטי בתחום הכימיה, לשפר את שיתוף הפעולה בין המדענים העוסקים בקוונטים ולחברם לקהילה אחת. מכון המחקר החדש למדע וטכנולוגיה קוונטית של אוניברסיטת תל אביב, שעל הקמתו הוכרז בכנס, מיועד לאגד את 20 המעבדות באוניברסיטה שעוסקות בתחום, ולמסד את הכשרת הדור הבא של החוקרים והמהנדסים שיעסקו בקוונטים.

"כיום אנשי מדעי המחשב לא מקבלים הכשרה מספקת במכניקת הקוונטים, וחוקרי הקוונטים אינם חשופים בדרך כלל להתפתחויות במדעי המחשב", מסביר פרופ' עוז את ההיגיון שמאחורי הקמת המכון. האוניברסיטה, לדבריו, שמה לה למטרה להכשיר חוקרים שישלטו בתחומים המדעיים השונים שנדרשים לקידום הנושא. כמו כן, אומר הרקטור, המכון אמור לעודד קשרים בין מדעניות ומדענים מתחומי מחקר שונים ולקדם גם שיתוף פעולה עם גופים חיצוניים — מהאקדמיה, מהתעשייה ומהמגזר העסקי.
עם ההקמה מצטרפת אוניברסיטת תל אביב לאוניברסיטה העברית, מכון ויצמן, הטכניון, אוניברסיטת בן־גוריון ואוניברסיטת בר אילן שהקימו מרכזי קוונטים משל עצמם. בסך הכל, לפי נתוני הוות"ת (הוועדה לתכנון ולתקצוב של המועצה להשכלה גבוהה), יש באוניברסיטאות בארץ כ–150 חוקרים שהקוונטים הם בליבת המחקר שלהם, ועוד כ–60 עוסקים בתחומים נושקים. חוקרים אלה מנחים כ–470 תלמידי מחקר (מאסטרנטים ודוקטורנטים) וכ–120 פוסט־דוקטורנטים. "הפעילות בישראל משמעותית, רחבת היקף ובעלת עומק תחומי", מצהיר פרופ' כ"ץ.

למרות תשומת הלב האקדמית וההבטחות הממשלתיות, פרופ' עוז מזהיר שישראל נותרת מאחור במחקר הקוונטי ויישומיו. "האמריקאים, הסינים והאירופים משקיעים משאבים ניכרים בפיתוח מדע וטכנולוגיה קוונטיים", אומר פרופ' עוז. "בישראל טכנולוגיה ומחשוב קוונטי לא היו עד היום בראש סדר העדיפויות, בניגוד להצפנה ולסייבר. הן המערכת הביטחונית והן התעשייה נכנסות לתחום באיחור מסוים. עד כה יש בעיקר ניירות עמדה והסכמה רחבה על הצורך, ואנחנו ממתינים להחלטת הממשלה על יישום ומימון תוכנית לאומית לנושא הקוונטים".

בעיית היציבות

ברקע הצהרת נתניהו על העתיד הקוונטי של ישראל עמדו דיונים שהתנהלו באקדמיה ובממשלה בשנים האחרונות. אחד מעמודי התווך של תוכנית החומש הנוכחית של ות"ת עוסק במדע ובטכנולוגיות קוונטיים. במסגרת זו, ועדה אקדמית של הוות"ת המליצה לגבש תוכנית לאומית למחשוב קוונטי. ההמלצה הוגשה לפורום תל"מ (תשתיות לאומיות ומחקר), שבו חברים נציגי הוות"ת, רשות החדשנות, משרד האוצר, משרד המדע ומשרד הביטחון. פורום תל"מ הקים ועדה בלתי תלויה בראשות ד"ר ארנה ברי, שגיבשה דו"ח והמלצות לתוכנית חומש למדע וטכנולוגיות קוונטיים, שהוגש בחודש מארס האחרון.

ד"ר טל דוד, מוביל התוכנית הקוונטית במינהל אמצעי הלחימה והתשתיות הטכנולוגיות (מפא"ת) במשרד הביטחון, שהיה המרכז המדעי של ועדת תל"מ, מספר שמרכיבים מסוימים מהתוכנית, כמו קרן מחקר אקדמי ישיר בתקציב של מאה מיליון שקל, כבר החלו לפעול. אולם, לדבריו, עיקר התוכנית, שדורש תקצוב ניכר, ממתין לאישור במסגרת תקציב המדינה — ואישור זה נדחה בגלל הבחירות והבחירות החוזרות. 
ד"ר דוד מסביר, כי העקרונות העומדים מאחורי התוכנית הם לעודד ולנצל את היתרון היחסי שיש לישראל בתחום החישה הקוונטית, ולקדם את המחקר והפיתוח היישומי בתחום המחשוב הקוונטי — לפתח את ההון האנושי, לבסס את התשתית המחקרית והיישומית בתחום ולהבטיח שלא נפתח פער בין ישראל לשאר העולם, שיורגש ביום שבו המחשב הקוונטי יהפוך לממשי. 

"בתחום המחשוב הקוונטי יש קהילה איכותית אך קטנטנה", אומר ד"ר דוד, "לכן חלק ניכר מההשקעה הוא בהגדלת מספר העוסקים בתחום ובחיבור ביניהם". או, כפי שמנסח זאת פרופ' כ"ץ, התוכנית מיועדת להפוך את ישראל ל"מדינת סף" למחשוב קוונטי: להכין את התשתית לכך שכשטכנולוגיה לבניית מחשבי קוונטים תבשיל, ישראל תהיה בעמדה לנצל את הפוטנציאל. עם זאת, מוסיף ד"ר דוד, חלק מהתקציב המוגדר בתוכנית יוקדש לבניית מעבד קוונטי בישראל. הפרטים על האופן שבו ייבנה המעבד יסוכמו בקרוב.

עד כמה הטכנולוגיה קרובה לסף הזה? פרופ' עוז מסביר ששני האתגרים הגדולים שעומדים בפני בניית מחשבי קוונטים משמעותיים הם הגודל והיציבות: כמה קיוביטים מצליחים לשזור יחדיו, באיזו איכות נעשה החיבור ואם המערכת מצליחה לשמור על יציבות לאורך זמן לפני שהיא "מאבדת את הקוהרנטיות שלה" — ואיתה את היכולת הקוונטית.

זכאי מ-IBM מודה שהמחשבים הקוונטיים שהחברה שבה הוא עובד בונה נותרים יציבים לשברירי שניות, אבל לדבריו המערכת יודעת לאתחל את עצמה והמשתמשים כלל לא שמים לב. המחשב הפתוח הזמין היום לקהל הרחב הוא הדור הרביעי של מחשבים קוונטיים מסוג זה. השיפורים שנעשים בין דור לדור, הוא אומר, לא קשורים בהכרח למספר הקיוביטים, אלא גם למשך זמן הקוהרנטיות ולאיכות הקשר בין הקיוביטים. ביצועי כל דור עולים פי שניים על הדור הקודם (בדומה לחוק מור בשבבי הסיליקון), מגמה שהוא מקווה שתימשך גם בדורות הבאים.

מלבד המחשבים הקוונטיים הפתוחים, ל-IBM יש מערכת נוספת של מחשבי קוונטים בענן, הפתוחה לגופים מנויים בתשלום, ומציעה למשתמשים את מחשבי הקוונטים המשוכללים ביותר שיש לחברה, שכרגע כוללים 20 קיוביטים. לדברי זכאי, ברשת יש קרוב ל–80 גופים מכל רחבי העולם — מחברות מסחריות כמו אקסון וסמסונג דרך גופי מחקר כמו CERN בשווייץ ועד אוניברסיטאות מובילות בעולם. פריצת הדרך הגדולה, אומר זכאי, תהיה עם השבב הבא שהחברה תציג בחודש הבא: מחשב קוונטי עם 50 קיוביטים, שאמור להגשים לפחות כמה מהתקוות שנתלו בטכנולוגיה החדשה.
ובסוף השבוע, ימים ספורים לאחר ההודעה של IBM, התפרסם (בטרם עת) כי גוגל צלחה את המשוכה המשמעותית להשגת "עליונות קוונטית" במחשב שהחברה מפתחת. לפי הפרסום, שעלה וירד באתר של נאס"א וטרם הופיע בכתב עת מדעי, מחשב עם 53 קיוביטים של החברה הצליח להשלים בתוך 200 שניות חישוב, שאם היו עורכים אותו במחשב העל המתקדם ביותר של נאס"א הוא היה משלים את המשימה בתוך יותר מ–10,000 שנה. החישוב, שעוסק בהתפלגות התוצאות של רצף אקראי של שערים (חיבורים) בין הקיוביטים השונים, נבחר כי הוא קשה במיוחד לחישוב עבור מחשבים רגילים. אולם אין לו יישום מעשי, ויש צורך במחקר נוסף כדי לעבור ממנו למשימות הפרקטיות המיועדות למחשבים הקוונטיים.

פרופ' כ"ץ מודה, שאם IBM או גוגל יציגו מחשב קוונטים עם 50 קיוביטים שאכן יציג יכולות אוניברסליות, זו תהיה מהפכה. אולם הוא משוכנע שהטכנולוגיה עוד לא בשלה לכך ודרוש מחקר משמעותי נוסף, כי יש בעיה מהותית בהנדסת החומרים המשמשים לבניית המחשב הקוונטי. "זו בעיה אופיינית של רעש במערכות של מצב מוצק", מסביר פרופ' כ"ץ. "לכאורה עניין טכני, אבל זו בעיה מסובכת מאוד של הנדסת חומרים ובקרה".
לדבריו, כל טכנולוגיה שמנסים לבנות בעזרתה מחשב קוונטי עובדת עד רמה מסוימת, עד שהיא מגיעה לצוואר בקבוק של קושי, בסיסי או טכני, שצריך להתגבר עליו. באופן כללי כשמדובר במספר נמוך של קיוביטים, השפעת הרעשים ניתנת לפתרון, אבל כפי שדרגות החופש של מחשבי קוונטים גדלות בטור מעריכי ככל שמוסיפים קיוביטים, כך גם השפעת הרעש גדלה בטור מעריכי — מעין אפקט הפרפר במחשב הקוונטי. "עוד לא מצאנו את החומרה האידיאלית. החומרה שלנו עובדת עד רמה של 20 קיוביטים, חורקת ב–50 וכבר לא עובדת מספיק טוב ברמה של מאה או מיליון כפי שהיינו רוצים", מוסיף הפיזיקאי מהאוניברסיטה העברית.

כדי להתגבר על בעיית הרעש צריכים מפתחי מחשבי הקוונטים למצוא מנגנונים לתיקון שגיאות. במחשבים קלאסיים תיקון השגיאות נעשה עוד ברמת החומרה: למשל, פעמים רבות בטרנזיסטור רמת המתח אינה באמת אפס, אלא גבוהה מעט יותר. אולם מכיוון שבקוד הבינארי יש רק שתי אפשרויות, אפס או אחת, רעשים אלה נמחקים בכל קריאה של המצב בטרנזיסטור. אבל כל הרעיון בקיוביטים הוא שהם יכולים להיות גם אפס וגם אחת — ובכל מקום ביניהם — בעת ובעונה אחת. כמו כן, אם מודדים את הקיוביט הוא קורס ומאבד את התכונות הקוונטיות שלו.

זוג או פרט

הרעיון התיאורטי של תיקון שגיאות קוונטי פותח לראשונה בישראל (במקביל לעוד שתי קבוצות בעולם), על ידי פרופ' מיכאל בן אור ופרופ' דורית אהרונוב מהאוניברסיטה העברית. פריצת הדרך הראשונה שמדגימה תיקון שגיאות קוונטי אפקטיבי התפרסמה ב–2016 במחקר שערך ד"ר ניסים אופק בעת שהותו באוניברסיטת ייל בפוסט־דוקטורט במעבדה של פרופ' רוב שולקוף. יחד עם פרופ' צ'ן ואנג ועמיתיהם הראו החוקרים שיטה למדידה חלקית של מערכות קוונטיות: הם שזרו שתי מערכות קוונטיות ומדדו את מספר הגלים המשותף לשתי המערכות — אם הוא זוגי או לא.

שיטה זו איפשרה לראשונה ללמוד על מצב המערכת — ולזהות רעשים — בלי להרוס את המצב הקוונטי. ד"ר אופק, שכתב את הדוקטורט שלו במכון ויצמן, הוא היום אחד מהיזמים וסמנכ"ל הטכנולוגיה של סטארט־אפ ישראלי בתחום הקוונטים. "בלי תיקון שגיאות", אומר כ"ץ, "אנחנו צריכים כל הזמן להשתפר בטור מעריכי באיכות הקיוביטים, וזה לא אפשרי בפועל. תיקון השגיאות משמעותו שאנחנו לא חייבים להיות מושלמים כדי להצליח בחישוב הקוונטי".

למרות ההתקדמות, אין ודאות שהמאמץ לבניית מחשב קוונטי אוניברסלי יישא פרי. "זהו אחד מהפרויקטים המדעיים־הנדסיים המורכבים והקשים ביותר שהמין האנושי התמודד איתם", אומר פרופ' כ"ץ, ומקביל את השלמתו להנחתת אדם על המאדים. "מבחינות רבות, אנחנו באותו מקום כמו עם שפופרות הוואקום של תחילת המאה ה–20 — החומרה שלנו עוד לא מספיק טובה ודרוש עוד מחקר אקדמי עמוק ותכליתי".
אם כן, מתי זה צפוי לקרות? "בין חמש לעשרות שנים", מצהיר חוקר הקוונטים מהאוניברסיטה העברית, "כמו שהשקיעו מאמצים וכסף בשיפור שפופרות הוואקום ואז נטשו אותן, כך ייתכן שימצאו טכנולוגיה שלישית במקום השיטות המובילות כיום שתיקח אותנו אל היעד של המחשוב הקוונטי המלא"

תגובות

הזינו שם שיוצג באתר
משלוח תגובה מהווה הסכמה לתנאי השימוש של אתר הארץ