מחשוב קוונטי: ים של הזדמנויות, ים של קשיים

נדמה שכולם מסכימים שמחשבים קוואנטיים הם העתיד. אבל מה זה בכלל אומר מחשוב קוואנטי ומה עוצר אותנו מלאמץ את הטכנולוגיה?

מחשב קוואנטי. מקור: IBM

מאת: אופק קירזנר

מהפכת המחשוב הקוונטי היא מעבר לפינה. ארגונים רבים בעולם בונים צוותי מומחים, משיקים פרויקטי פיילוט ומקצים תקציבי מחקר. ארגונים אלו השתכנעו שמחשוב קוונטי טומן בחובו הזדמנויות רבות לשיפור היתרון התחרותי והורדת העלויות. בין האפליקציות המובילות: פיתוח תרופות וחומרים חדשים, אופטימיזציה של מערך האספקה והייצור, חישוב ערך של מכשירים פיננסים משוכללים, למידת מכונה ועוד. חברת האנליסטים המובילה גרטנר צופה שעד 2023 כ-20% מהארגונים הגדולים יתקצבו פעולות קוונטית. חברת Boston Consulting Group העריכה שכבר ב3-5 השנים הקרובות, ארגונים יפיקו ערך של 5-10 מיליארד דולר ממחשוב קוונטי.

גם ממשלות בכל העולם משקיעות כספים רבים בפיתוח ומסחור טכנולוגיות קוונטיות, מאחר שהן רואות נושא זה כבעל חשיבות אסטרטגית. גם בישראל, מוקצים עשרות מיליוני דולרים לפרויקט תשתית לאומי. בעולם השקיעו כ-25 ממשלות סכום כולל של כ-25 מיליארד דולר בתוכניות מקומיות.

קרנות הון סיכון רואות בקוונטים תחום משמעותי להשקעה, וגיוסי הכספים של חברות קוונטים נמצאים בעליה חדה. בחצי הראשון של 2021 גייסו חברות 2.5 מיליארד דולר, לעומת 1.5 מיליארד בכל 2020 ו-365 מיליון ב 2019. חברות הענק – IBM, Amazon, Honeywell, Google, Microsoft, Alibaba – ואחרות נמצאות ב”מירוץ חימוש” לפתח מחשבים קוונטים ושרותי ענן.

יחידת המידע הבסיסית במחשב רגיל (“מחשב קלאסי”) היא “ביט”. ביט יכול לקבל אחת משתי אפשרויות: ערך 0 או ערך 1. אין אופצית ביניים. יחידת המידע הבסיסית במחשב קוונטי היא “קיוביט”. קיוביט יכול להיות בערך 0, בערך 1, אבל גם “סופרפוזיציה” של 0 ו-1, כלומר אם מודדים את מצב הקיוביט, יתכן שהוא יהיה בערך 0 בהסתברות מסוימת ובערך 1 בהסתברות המשלימה. תכונה חשובה אחרת של קיוביטים היא שהם יכולים להיות “שזורים”, כלומר אי אפשר לתאר את המצב של קיוביט אחד מבלי להתייחס למצבם של קיוביט או קיוביטים שזורים אליו. בגלל השילוב של הסופרפוזיציה והשזירות, ובגלל התאבכות הורסת – כלומר היכולת “לאפס” הסתברויות לא מעניינות – ניתן לפתור בעזרת מחשב קוונטי בעיות מסוימות ביעילות גבוהה בהרבה מאשר במחשב קלאסי.

מבולבלים? אתם לא לבד. גדולי הפיזיקאים במאה העשרים – כולל אלברט אינשטיין – נאבקו שנים רבות כדי לפתח תובנה ואינטואציה קוונטית. נילס בוהר, למשל, פיזיקאי דני ממוצא יהודי וחתן פרס נובל לפיזיקה, אמר כי “אלה שאינם המומים כאשר הם נתקלים לראשונה בתורת הקוונטים לא יכלו להבין אותה”. היה זה דווקא פיזיקאי דגול וחתן פרס נובל אחר, ריצ’רד פיינמן, אשר דחף לפיתוח שימוש פרקטי של מחשבים קוונטים. הוא אמר “הטבע אינו קלאסי, לעזאזל, ואם אתה רוצה לעשות הדמיה של הטבע, מוטב שתעשה אותו באמצעים קוונטים”.

אכן, סימולציה של התנהגות אטומים ומולקולות היא אחת האפליקציות המבטיחות של מחשוב קוונטי. מאחר ואטומים ומולקולות מתנהגים באופן קוונטי, קל הרבה יותר לדמות את ההתנהגות שלהם במחשב קוונטי. כיום, גם במחשב-על קלאסי ניתן לבצע סימולציה מדויקת רק של מולקולות פשוטות ביותר. מאידך, במחשבים קוונטים היום ובוודאי בעתיד הקרוב, ניתן לדמות התנהגות של מולקולות מורכבות בהרבה, וכך לפתור בעיות חשובות ברפואה, אנרגיה, הנדסת חומרים וכד׳.

בעיה נוספת אשר אי אפשר לפתור בזמן סביר במחשב קלאסי אבל ניתן יהיה לפתור הרבה יותר מהר במחשב קוונטי היא פירוק מספר גדול מאוד למרכיבי הראשוניים, כלומר מציאת שני מספרים ראשונים גדולים אשר מכפלתם היא ערך רצוי. ייתכן שזו נשמעת כמו בעיה תאורטית חסרת שימוש, אבל רוב מנגנוני ההצפנה הפיננסית מבוססים היום על הקושי לפרק מספר למרכיביו הראשוניים. מחשב קוונטי המסוגל לעשות זאת – על פי אלגוריתם שפותח ע”י המתמטיקאי דייויד שור – מאיים על מערכת הבנקאות העולמית, על רישומי ה-Blockchain ותחומים נוספים.

מעבד Sycamore הקוואנטי של גוגל. מקור: גוגל

אבל לא הכל ורוד בעולם הקוונטי

תחום בו יש התפתחות רבה אבל עוד כברת דרך ארוכה לעבור הוא תחום החומרה. מספר הקיוביטים במחשבים של היום הוא מוגבל – כמה עשרות. אלגוריתמים רבים – כולל זה של שור – דורשים מאות ואלפי קיוביטים וייתכן שיעברו עוד מספר שנים עד שמחשבים כאלו יהיו זמינים. בעיה נוספת בחומרה היא בעיית הרעש – או חוסר היכולת של מחשב קוונטים היום לשמר ערך לאורך יותר ממספר שניות במקרה הטוב. בעיה זו מחייבת שילוב מחשבים קלאסיים וקוונטים, כך שמשך החישוב במחשב הקוונטי הוא קצר מאוד, ולאחריו מתבצע חישוב קלאסי וחוזר חלילה.

בעיה נוספת היא אופן פיתוח התוכנה. למרות מספר שפות תכנות חדשות שפותחו, רוב סביבות הפיתוח היום דומות לפיתוח ידני של מעגל דיגיטלי פשוט ביותר: חיבור מוליכים בין שערים לוגיים. אין ספק ששיטה זו לא תועיל לפיתוח אלגוריתמים ומעגלים מורכבים. במעבדים דיגיטלים עם מיליוני טרנזיסטורים משתמשים בשפה עילית כמו VHDL או Verilog וחברות כמו קלאסיק מפתחות את המקביל הקוונטי של שיטת סינתזה זו.

סימולציה של מעגלים קוונטים היא בעיה נוספת. כיום, ניתן לסמלץ מחשבים קוונטים של קיוביטים יחידים – או עשרות בודדות של קיוביטים – על מחשב רגיל. אבל כל זמן שניתן לעשות זאת במחשב קלאסי רגיל, אין צורך אמיתי במחשב קוונטי. מאידך, כאשר מחשבים קוונטים יחצו את סף 100 קיוביטים, לא ניתן יהיה לבצע סימולציה באותה דרך. אם כך, איך ניתן יהיה לבדוק תוכנה קוונטית מלבד להריץ אותה על מחשב קוונטי? אין ניתן יהיה לבדוק ערכי ביניים, או לעצור לרגע את הביצוע – כל אותן שיטות אליהן אנו רגילים במחשב קלאסי?

בעייה חמורה נוספת היא גיוס כח אדם מתאים. פיתוח אלגוריתמים קוונטים היום דורש את השילוב היחסית נדיר של הבנה טובה בקוונטים יחד עם ניסיון בתכנות קלאסי. אם בעבר סטודנטים שסיימו תואר שני או שלישי בקוונטים היו בעיקר פונים לקריירה אקדמית, הרי היום הם נחטפים על ידי חברות תעשייתיות. הביקוש הוא גדול כל כך שמוסדות אקדמיים רבים – כמו הרווארד ו-MIT פתחו מסלולים חדשים להכשרה קוונטית. זוהי גם הזדמנות לאנשים צעירים להיכנס ולהתמחות בתחום מרתק עם פוטנציאל צמיחה עצום.

המחשב הקוונטי לא יחליף את המחשב הקלאסי, כפי שהמעבד הגרפי GPU לא ביטל את הצורך במעבד כללי CPU. לא סביר שבעוד חמש שנים נבצע שיחת זום או נכתוב מסמכים על מחשב קוונטי. אבל מאוד סביר שהמחשוב הקוונטי יהפוך להיות פלטפורמת מחשוב מרכזית הפותחת הזדמנויות בצד סיכונים לחברות תעשייתיות והזדמנויות אדירות למהנדסים ומדענים

הכותב הוא ראש קבוצת תשתית הקוונטים בחברת Classiq

כתב אורח

אנחנו מארחים מפעם לפעם כותבים טכנולוגים אורחים, המפרסמים כתבות בתחומי התמחות שלהם. במידה ואתם מעוניינים לפרסם פוסט בשמכם, פנו אלינו באמצעות טופס יצירת קשר באתר.

הגב

19 תגובות על "מחשוב קוונטי: ים של הזדמנויות, ים של קשיים"

avatar
Photo and Image Files
 
 
 
Audio and Video Files
 
 
 
Other File Types
 
 
 

* היי, אנחנו אוהבים תגובות!
תיקונים, תגובות קוטלות וכמובן תגובות מפרגנות - בכיף.
חופש הביטוי הוא ערך עליון, אבל לא נוכל להשלים עם תגובות שכוללות הסתה, הוצאת דיבה, תגובות שכוללות מידע המפר את תנאי השימוש של Geektime, תגובות שחורגות מהטעם הטוב ותגובות שהן בניגוד לדין. תגובות כאלו יימחקו מייד.

סידור לפי:   חדש | ישן | הכי מדורגים
מומו
Guest

עוד לא מצאתי בשום מקום מידע שמסביר על הטכנולוגיה ואיך היא עובדת בת’כלס.
כשמדובר במחשב דיגיטלי אני יודע שיש פרוסות סיליקון עם “חורים” חשמליים שיוצרות טרנזיסטורים, כשהם פתוחים יש מתח של 5 וולט שהוא מייצג 1 וכשהם סגורים יש מתח של 0 וולט וזה מייצג 0. משם נגזרת לוגיקה בוליאנית ובינארית שהופכת לייצוג פיזי בכפולות של 8 על מעבדי X86.

אז אני מבין איך מעבד ואיך מחשב דיגיטלי עובד.
מה המקבילה הקוונטית לזה? משתמשים בסיליקון? איזה קבוע פיזי מייצג 1 ואיזה 0?
ואיזה סופרפוזיציה? ואיך האנטלגנמט בא לידי ביטוי?
האיזה לוגיקה ומתמטיקה משתמשים ואיך מפתחים את החומרה?

ברור
Guest

זה פאזור של ספין. אלקטרון נמצא בכיוון מסויים ולכן מייצג ערך מסוים. זה קל רק נמשך חלקיק שניה וסובל מרעש

מומו
Guest

איך הספין מיתרגם לקיוביט?
האם המחשב הקוואנטי נמצא בתוך מאיץ חלקיקים, או בתוך שדה מגנטי כמו
MRI?

יהודה
Guest

בתוך שדה מגנטי קרוב לזה הרבה יותר. ישנם מימושים שונים, בחלקם זה ממש ספין בתוך שדה

דני
Guest

יותר לא ברור לי איך שולטים בזה.. הרעיון של מעבד קלאסי זה שהוא יכול לשנות את הערך של הביט באמצעות מתח חשמלי, אבל איך משנים ספין של אלקטרון? ואיך מכניסים אותו לסופרפוזיציה?

יהודה
Guest

שני הדברים על ידי פולסים של קרינה אלקטרומגנטית, לייזר או מיקרוגל. פולס בעוצמה של זמן מחזור שלם ישאיר את הספין כפי שהיה, חצי זמן מחזור יהפוך מאפס לאחד ומאחד לאפס, וכל עוצמה אחרת תכניס לסופרפוזיציה בין השניים. זמן המחזור מתאר את התנודה הטבעית של הספין במערכת

שחשחש
Guest

מה גילוי נאות מה
אולי שלא נחשוש מניגוד אינטרסים?
גילוי נאות אני באמצע לחרבן

ASD
Guest

וואו, אתה מה זה משתלב יפה בתוך מארג הדיונים באיזור התגובות פה.

KEY
Guest

TEAM 8 WORKING ON SOME OF<<<

חוקר
Guest

יש כמה דרכים מרכזיות לעשות קיוביטים של מחשב קוונטי כיום.
1. על סיליקון וטרנזיסטורים בקירור של 20mK (-273 מעלות) והערכים “0” ו”1″ זה רמות מתח מקוונטטות.
2. יצירת פוטונים בודדים וכך כל פוטון הוא יחידת זיכרון. כאשר “0” ו”1″ מוגדרים ע”י הקיטוב האנכי והאופקי.
3. שימוש ביונים קרים. לקרר יונים ל 20uK ורמות האלקטרון זה הקיוביט.

גילוי נאות חוקר באוניברסיטה בתחום המחשוב הקוונטי

מהנדס
Guest

שאלה לחוקר
אז מה בעצם היתרון של מחשב קוונטי?
גודל יחידת הביט (פוטון/יון במקום טרנזיסטור) שקטן יותר בכמה סדרי גודל?
ומה הסופרפוסיציה נותנת? או שהיא רק מפריעה?
תודה

יהודה
Guest

הייתרון הוא הלוגיקה המתמטית היותר חזקה. כפי שביטים פיזיים משרים לוגיקה מתמטית בוליאנית, כך קיוביטים פיזיים משרים לוגיקה מתמטית קואנטית שהיא מכילה ממש את הלוגיקה הבוליאנית. בפועל הלוגיקה הקואנטית נבנית מעל אלגברה לינארית המתארת סופרפוזיציה, שזירות, ושאר תוצאות. ההקשר הוא שכדי לבנות מחשב לא מספיקה הלוגיקה על הניר, היא צריכה להיות ניתנת למימוש פיזי, ומערכות קואנטיות מאפשרות לממש את הלוגיקה הקואנטית

מישהו
Guest

ליהודה: יש הוכחה שיש בעיות שנפתרות בלוגיקה קוואנטית? למיטב ידיעתי כרגע לא ידוע בבירור על תועלת כזו והכל השערות, אני טועה?

אהרון
Guest

עוד שאלה
על פי מכניקת הקוונטים עצם קריאת התוצאה משנה אותה (כמו החתול של שרדינגר), אז איך יודעים את תוצאת החישוב?

חוקר אחר
Guest

לזה ששאל האם הקריאה של התוצאה משנה אותה:
היא אכן משנה את המצב הקוונטי, אבל עדיין אתה יכול לחשב בצורה הסתברותית מה התוצאה תראה. ואחרי שאתה מודד, אתה יכול לחשב גם(הסתברותית) לאיזה מצב אתה תקרוס.
לרוב, המדידה מתבצעת רק בסוף החישוב, ולכן לא משנה לאיפה המצב יקרוס אחרי שהחישוב הושלם.

יואב
Guest

ואיך אתה יכול לדעת שהחישוב באמת הושלם?

יהודה
Guest

החישוב הוא סופי. מספר סופי של שערים קואנטים (ממומשים על ידי פולסים של קרינה אלקטרומגנטית), לפי התכן הידוע מראש של האלגוריתם. בסוף האלגוריתם החישוב הושלם וניתן למדוד

יהושפט
Guest

אם מדברים על יישומים מדהימים של מחשוב קוונטי, ממליץ מאד על הסדרת מדע בדיוני devs

ויקטור
Guest

מחפשים עובדים?

wpDiscuz

תגיות לכתבה: