קוונטים: מחשב-על בגודל בול
האם ניתן יהיה לבסס מחשבים על הקוונטים - תנועות החלקיקים הקטנים ביותר ביקום? חוקרים בכל העולם מסתערים על האתגר במרץ, ועם תקציבי-עתק המטרות: יצירת כוח חישוב פנטסטי, בצד מיזעור מקסימלי מדענים כבר מדמיינים את השלב הבא, שבו המחשב הקוונטי יוכל להתחרות במוח האנושי ואיך כל זה קשור לחתול ולמבחנת ציאניד?
מחשבי-על בגודל של בול - זה מה שמבטיחים לנו מדעני הפיזיקה העוסקים בחקר תיאוריית הקוונטים וביישומיה בעולם המחשבים. למרות שהמושג קוונטים מרתיע למדי, מדובר למעשה בהתנהגות של החלקיקים הקטנים ביותר הנמצאים סביבנו, בכל חומר או אנרגיה.
ניצולה של תורת הקוונטים לפיתוחים טכנולוגיים יומיומיים הוא תחום חדש יחסית בעולם הפיזיקה, וחברות ואוניברסיטאות ברחבי העולם משקיעות בו סכומי עתק. גם בארץ עובדים חוקרים על פיתוח תיאורטי ונסיוני של טכנולוגיות בתחום. הפרס הגדול בסוף הדרך הוא היכולת ליצור מחשבים, המסוגלים לפתור בעיות שכיום בלתי ניתנות לחישוב, ולפצח את ההצפנות החזקות ביותר המוכרות לנו.
תיאוריית הקוונטים נשמעת בחלקה כמו מדע בדיוני,
ובחלק מהמקרים כמו רעיון מטורף לחלוטין. למעשה, אחד הקשיים שאתו מתמודדים המדענים הוא התאמת התיאוריה לחשיבה שאליה מרגילים אותנו חיי היום-יום.
מדובר בבעיה אמיתית, שכן תיאוריית הקוונטים, במקרים מסויימים, קוראת תיגר על הפיזיקה המוכרת לנו וסותרת אותה, ובמקרים אחרים היא נותנת מענה וסוגרת חורים שלא נפתרו עד היום, 100 שנים לאחר שאינשטיין כתב את המאמר הראשון בתיאוריית היחסות, המהווה את היסוד לפיזיקה המודרנית.
פיזיקה חדשה
לפעמים זה נשמע קצת משונה, אבל יש דברים שאנחנו לא מסוגלים להבין בלי תיאוריית הקוונטים, מבהיר פרופ' עדי שטרן מהמחלקה לפיזיקה של חומר מעובה במכון ויצמן. לדוגמא, קח את החומרים המוליכים. את ההבדל בין מה שיקרה אם ניגע בחלק הפלסטיק של שקע חשמלי ולא יקרה לנו כלום, לבין הכנסת סיכה פנימה והתחשמלות, אפשר להבין רק באמצעות תורת הקוונטים, אומר פרופ' שטרן.
שורשיה של תיאורית הקוונטים בשנת 1900, אז התגלה כי גלי האור מורכבים מחלקיקים קטנים הנקראים פוטונים. 20 שנה לאחר מכן, התגלה שכל החלקיקים בעולם מתנהגים כמו גלים - דבר שגרם למדענים להבין, שהם יכולים, במובן מסויים, להיות ביותר ממצב אחד בו-זמנית. מוזר? התיאוריה המשיכה להתפתח באמצעות גילויים חדשים, תוך שהיא מתרחבת לתחומים נוספים, כמו כימיה ואלקטרוניקה.
כדי להבין כיצד פועלת תיאוריית הקוונטים, וכיצד יפעל מחשב המבוסס על קוונטים, כדאי להיזכר כיצד פועלים המחשבים של היום. אלה מבוססים על יחידות מידע פשוטות, ביטים,
המאוחסנות במעגלים חשמליים. אם במעגל יש זרם, הביט שווה ל-1. אם אין - הביט שווה לאפס. כך, באמצעות המעגלים, מסוגלים המחשבים לקבל פקודות, לבצע חישובים ובסופו של התהליך, לספק תוצאה.
ביטים הם דבר מוחשי במיוחד. לדוגמה, הביטים על הדיסק הקשיח שלכם, שבו מאוחסנים כל המסמכים, הם למעשה חלקיקים מגנטיים זעירים מאוד, שנמצאים במצב של אפס או אחד. מיליוני חלקיקים כאלה יוצרים קובץ רגיל, שאתם יכולים להשתמש בו.
כדי להתחיל להבין את ההבדל בין זה לבין תיאורית הקוונטים צריך להשתמש בדמיון. במקום הביטים משתמשים בעולם הקוונטים בקיוביטים (קיצור של Quantum Bit). הקיוביט דומה בבסיסו לביטים הרגילים. הוא יכול להיות בערך של אפס, והוא יכול להיות בערך של אחד. אבל כאן יש תוספת משמעותית ופורצת דרך: הוא יכול להיות גם שניהם.
חתול תעלול
את רעיון הקיוביט, שנמצא בשני מצבים בעת ובעונה אחת, אפשר להדגים באמצעות ניסוי תיאורטי מפורסם בהשתתפות חתול (תיאורטי) שהגה החוקר ארווין שרדינגר לפני 70 שנה. החתול מוכנס לתוך תא סגור, שבתוכו מבחנת ציאניד. שרדינגר טען, כי מרגע שסגרנו את התא אין לנו כל דרך לדעת האם החתול ניפץ את המבחנה וגרם בכך למותו המיידי, או שהוא ממשיך להתנמנם לו בתוכו בנוחות. למעשה, החתול, מבחינתנו, נמצא בעת ובעונה אחת בשני מצבים: חי ומת. עד שלא נפתח את התא ונבדוק, לא נדע מה מצבו האמיתי.
המצב הזה קרוי בשפת הקוונטים סופר פוזיציה. באמצעות קיוביטים הנמצאים במצב הביניים הזה אפשר ליצור מעבדים למחשבים, שיפעלו במקביל: החלקיקים שינועו במעגלים האלקטרוניים יהיו בכמה מצבים בעת ובעונה אחת, תוך כדי שהם מבצעים מספר פעולות חישוביות בעת ובעונה אחת.
בצורה פשטנית ניתן להשוות זאת לעבודה המבוצעת במקביל על ידי עשרה פועלים שונים במחשבים הישנים, לעומת פועל אחד, שמבצע באותו פרק זמן בדיוק את העבודה של עשרת הפועלים. היכולת הזאת תאפשר ליצור מחשבים החזקים פי כמה מהמחשבים המוכרים לנו כיום. ולא מדובר רק בשיפור במהירות. העוצמה הזאת תאפשר לפתור בשניות בעיות חישוביות, שלמחשבים החזקים ביותר המוכרים לאנושות יקח מאות שנים כדי לפתור ולפענח. מדענים כבר מדמיינים את השלב הבא, שבו המחשב הקוונטי יוכל להתחרות במוח האנושי, שגם הוא עובד בצורה דומה - מצבי ביניים, שמגיעים בסוף למצב אחד.
הפתעה תוך שלוש שנים
אחת מפריצות הדרך בתחום היתה לפני כ-12 שנה. "מדען בשם שור הוכיח, כי אם נצליח לבנות מחשב קוונטי, הוא יהיה מסוגל לקחת מספר שלם ולפרק אותו לגורמים ראשוניים (מספרים שניתן לחלקם ללא שארית רק בעצמם או ב-1) בזמן קצר מאוד", אומר פרופ' שטרן. "חוסר היכולת לפרק מספרים גדולים למרכיבים ראשוניים הוא הבסיס לכל טכנולוגיות ההצפנה החזקות היום, מאלו שמשתמשים בהן בבנקים ועד לאלו שמשתמשים בהן בדפדפן. היכולת לפצח את המספרים האלה בזמן אפסי, שיספק מחשב קוונטי, תיתן את המפתח למרבית ההצפנות הללו", הוא מוסיף.
היכולת הזו לא נעלמה מעיניהן של חברות המחשבים הגדולות, שהחלו במירוץ עתיר ממון כדי לחצות את קו הגמר ראשונות ולהציג מחשב קוונטי - זאת למרות שמדובר בפרויקט, שגם האופטימיים ביותר לא רואים אותו מתרחש לפני שנת 2015 לפחות. IBM, נק ו-HP, למשל, מחזיקות מעבדות, המוקדשות לתיאוריית הקוונטים בתחומים שונים, על-מנת לנצל את הגילויים לתחומי המחשבים השונים. הבעיה הגדולה הניצבת בפני החברות היא הצורך לשלוט בתנועת החלקיקים הזעירים, דבר הדורש טכנולוגיות מורכבות וסבוכות, שחלקן עדיין לא הומצאו. בחלק מהמקרים מנסות החברות לעקוף את בעיית השליטה באמצעות פתרון אחר: לצאת מנקודת הנחה שלא יהיה ניתן לשלוט על החלקיקים, ולנסות למצוא דרכים למזער את הטעויות.
מעבד חצי קוונטי תוך 3 שנים
מעניין לגלות, שאל מול כל נסיונות הפיתוח של חברות הענק התייצבה לאחרונה חברה אלמונית למדי מקנדה, D-Wave, שטוענת, כי למרות ההבטחות למחשב קוונטי רק בעוד עשור, היא מתכוונת לספק שבב חצי-קוונטי תוך שלוש שנים בלבד, כאשר אב-טיפוס יוצג כבר בסוף שנת 2006. החברה נקטה גישה שונה בכל מה שקשור לניצול התכונות המיוחדות של הקוונטים.
רוב החברות הגדולות מתמקדות בקישוריות (או יכולת היקשרות), כלומר היכולת של שני חלקיקים שנפגשו בעבר להשפיע זה על זה גם לאחר שנפרדו. ב-D-Wave החליטו לנצל תכונות אחרות של תיאוריית הקוונטים - האחת, היכולת של חומר בטמפרטורות נמוכות לשאת זרם חשמלי ללא התחממות, והשניה, היכולת של החלקיקים לקפץ להם ממקום למקום כדי לבצע את הפעולות במקביל.
המעבד שתייצר החברה אמור להיות דומה לשבבים של היום. כדי לשלוט על הקוונטים, השבב צריך להיות מקורר לטמפרטורה של 269 מעלות מתחת לאפס, אבל זו נחשבת משימה פשוטה בעולם הקוונטים. בחברות אחרות נעזרים בלייזרים ובמשאבות ואקום כדי להגיע לשבב מתפקד. המעבד עצמו מורכב מקבוצת לולאות מתכת, שכאשר זורם דרכן חשמל, הן הופכות למעין מגנטים קטנים. המבנה היחודי של הלולאות גורם לכך, שהן משנות את כיוון זרם החשמל ביניהן, עד שהן מגיעות למצב יציב. שינוי הזרם תלוי בבעיה שהוזרמה למעבד, והמצב היציב מהווה למעשה את הפתרון החישובי לאותה הבעיה.
ב-D-Wave כבר מבהירים, כי המעבד שלהם לא יוכל לפצח את בעיות ההצפנה שמסעירות כל-כך את עולם הקוונטים. אבל לשיטה שפיתחו יתרון בכך, שתוכל לפתור בעיות ידועות בעולם המחשבים, שהן בלתי פתירות בכוח המיחשוב הקיים כיום. מדובר בעיקר בבעיות הקשורות בתכנון לוגיסטי, כמו שליטה על ציי רכבים וגם ניהול תיקי השקעות פיננסיים.
לא הכל ורוד
מול התקוות הגדולות, לפצח מספרים של עשרות ספרות למרכיביהם הראשוניים בעזרת מעבדים קוונטיים, יש להודות, כי נכון לעכשיו הצליחו המדענים עד היום לפרק רק את המספר 15 לגורמיו הראשוניים, פעולה שכל ילד בכיתה ג' יכול לעשות.
הטכנולוגיה נמצאת עדיין בחיתוליה, אבל המדענים כבר מתווכחים האם בכלל יהיה אפשר לבנות ולהפעיל מחשב מבוסס קוונטים.
זוג חוקרים הולנדים פירסם באחרונה מאמר, הטוען כי הקיוביטים שבהם ישתמש המחשב במהלך החישוב לא יחזיקו מעמד מספיק זמן לצורך חישובים, ויאבדו את המידע האגור בתוכם. בנוסף הם טוענים, שככל שהקיוביטים יהיו קטנים יותר, הם יחזיקו מעמד זמן קצר יותר.
גם פרופ' שטרן, החוקר כיום את התחום, רחוק עדיין מלהיות בטוח שזה כל-כך קרוב. שלושת המדענים שהמציאו בשנות ה-40 את הטרנזיסטור, שהפך לאבן היסוד של האלקטרוניקה המודרנית, לא העלו על דעתם את כיווני ההתפתחות הטכנולוגיים שהטרנזיסטור יביא אליהם, הוא אומר. אני חושב שההשקעה העצומה במיחשוב קוונטי תביא לפיתוחים מעניינים, שאת החידוש של חלקם נבין רק בעוד שנים.
