חברים, יש לנו עליונות קוונטית. אנחנו אומנם לא יכולים לעשות איתה כמעט שום דבר, ולמעשה היא בכלל שייכת לגוגל (וגם היא לא יכולה לעשות איתה שום דבר), ולמרות זאת אתם מוזמנים להשתמש בצירוף המילים "עליונות קוונטית" ולהרגיש שגם אתם, במידה מסוימת, עליונים קוונטית. מדובר בצירוף מילים שיכול להפוך אתכם ברגע אחד לאנשים החכמים בחדר, בפרט אם אתם לבד.
כתבות נוספות למנויי +ynet:
העליונות הקוונטית הושגה על ידי מחשב הקוונטום של גוגל באוקטובר 2019, לאחר שביצע ב-200 שניות פעולה שהייתה לוקחת למחשב-העל החזק בעולם בערך 10,000 שנה לבצע. זוהי, בהגדרתה, נקודת העליונות הקוונטית - לא פחות מכפי שהטוסט הראשון שזינק אי פעם מתוך טוסטר, היה נקודת העליונות הטוסטית.
רק מה הייתה הפעולה שביצע המחשב הקוונטי? ובכן, בגדול, מהמעט שפורסם, המחשב "דגם ויצר מספרים אקראיים". ובמילים אחרות, פתר בעיה שלא התעוררה מעולם, ולמעשה הונפקה לו על ידי יוצריו רק כדי להדגים את יכולתו.
בעיה מציאותית בהרבה התעוררה זמן קצר לאחר מכן, כש-IBM הודיעה בתגובה שגוגל לא באמת השיגה עליונות קוונטית, שכן מחשב-העל הקלאסי מתוצרתה שלה היה פותר את הבעיה האקראית המדוברת בתוך יומיים וחצי. אופס.
ההיסטוריה, בכל אופן, רשמה את גוגל כזו כאחראית על כיבוש היעד הנוצץ, וצילומים מרשימים של מחשב-העל "סיקאמור" - שנראה כמו צילינדר עטלפי מוזהב ותלוי במהופך - הרשימו את האינטרנט.
החישוב עצמו היה ונותר חסר משמעות ותכלית, ומחשב-העל של גוגל עדיין אינו יודע דבר מהדברים שהמחשב הביתי שלכם לוקח כמובנים מאליהם. אין לו מושג איך להריץ דפדפן אינטרנט, תוכנה בסיסית או אפילו משחק פשוט, כך שקצת קשה להעריך, ללא עזרה ממוחשבת ברמה קוונטית, עד כמה אנחנו אמורים בכלל להתרגש לנוכח ההישג.
"הוכחנו את העיקרון שישנן בעיות מסוימות שאפשר לפתור במחשב קוונטי, שהן לחלוטין לא מעשיות לפתרון במחשב קלאסי", מנסה לעזור לי רייאן בבוש, ראש מחלקת האלגוריתמים הקוונטית בגוגל ואחד ממובילי ובכירי הפרויקט. "בהקשר הזה היו אנשים שהציעו את האנלוגיה של הטיסה הראשונה, ואני חושב שיש בזה משהו: האחים רייט טסו 30 שניות במשהו שהיה רחוק מאוד מלהיות אמצעי תעבורה אפקטיבי או מסחרי, אבל זו עדיין הייתה הדגמה בלתי מעורערת ראשונה, שאפשר לעשות משהו ששנים קודם רוב הקהילה המדעית לא חשבה שיהיה אפשרי".
בבוש - רהוט, מחושב, מדויק כירורגית בכל משפט - הוא כתובת לא רעה לשיחה על מחשבי קוונטום, בהנחה שאתם כבר מבינים את העקרונות הבסיסיים שמגיעים עם הטריטוריה. כלומר, אל תנסו לבקש ממנו להסביר לכם את פיזיקת הקוונטים העקרונית ואת עניין החתול של שרדינגר, שעשוי להיות חי ומת בו-זמנית. "אני לא יכול ממש לפשט את זה, אתה פשוט צריך לקבל את זה כקיים", כדבריו.
הוא מתכוון לכל עניין מכניקת הקוונטים, שעליו מבוסס ענף המחשוב הקוונטי. בכמה מילים מסובכות ככל הפחות: העיקרון הקוונטי מתאר את נטייתם של חלקיקים לנוע במרחב בצורת גל, ואת יכולתו של חלקיק בודד להתפצל לשניים (אם, נניח, נשגר פוטון בודד דרך שני סדקים), שיחזרו ויישזרו זה בזה בהמשך, כך שמיקומו של חלקיק אחד יכריע לנצח איפה יתמקם החלקיק השני - גם אם יהיו במרחק פיזי עצום זה מזה - או כפי שהגדיר את זה איינשטיין, "פעולת רפאים ממרחק".
יכולתו של חלקיק בודד להתפצל לשניים ולהיות בו-זמנית בשני מקומות, נקראת "סופרפוזיציה". מדובר באחת התופעות הפיזיקליות שהמוח האנושי מתקשה לכרוך את עצמו סביבן, אבל הן מוכחות ותקפות - בשלב זה - לא פחות מתורת היחסות או החשמל. "למעשה, מכניקת קוואנטים היא כנראה התיאוריה הכי מוכחת מחקרית שיש לנו - נעשו בזה מיליוני ניסויים עם אפס יוצאים מן הכלל בתוצאות", מבהיר בבוש.
"צריך פשוט לקבל את העובדה שאלקטרון יכול להיות כאן וגם כאן, כלומר שחלקיקים יכולים להימצא בשני מצבים בו-זמנית, למרות שאין לנו אנלוגיה ממשית לזה. התופעה של סופרפוזיציה היא משהו מאוד בסיסי, ואם אתה עובד עם המתימטיקה של זה מספיק זמן, אתה מתחיל לקבל את הרעיון לגבי איך היא עובדת".
רעיון ה"כאן-ושם-בו-בזמן" (ייתכן שיהיה קל יותר לתפוס אותו אם תחשבו על משה פרץ בערב יום העצמאות), מאפשר למחשב הקוונטי להתנהל כמכונה שתגדיל אקספוננציאלית את יכולתו של המחשב הקלאסי. כי אם מחשבים קלאסיים הורכבו, ועדיין מורכבים, מטרנזיסטורי סיליקון זעירים שהלכו והתמזערו פי שניים בכל שנה וחצי וידעו לברור בין שני מצבים בינאריים - 0 ו-1 (זרם עובר בטרנזיסטור או לא עובר בו) - המחשב הקוונטי מוותר על הטרזיסטור כליל.
זו בחירה נכונה בעיקר כי הטרנזיסטור הפך, בשלב זה, זעיר כל כך (האייפון שלכם, למשל, מכיל כ-8.5 מיליארד מהם) עד שאנחנו מתקרבים לגודל של אטום בודד, שאחריו ניאלץ לבקע את האטום - פעילות לא מומלצת בעיקרון.
במקום מיליארדי טרנזיסטורים, משתמש המחשב הקוואנטי במוליכי-על זעירים - כל אחד מהם קרוי "קיוביט" - הממגנטים אליהם אלקטרונים שמסוגלים להיות, כמו בטרנזיסטור, במצב של 0 או 1. אבל גם בסופרפוזיציה, כלומר בו-זמנית בשניהם, או במצב ביניים כלשהו ביניהם. התוצאה? כמות גדולה בהרבה של מצבים אפשריים לכל קיוביט, במקום שני מצבים אפשריים לכל טרנזיסטור.
יש לכם שני קיוביטים? הם מסוגלים להיות בעשרות פוזיציות. יש לכם שמונה? אתם מסתכלים על מאות קומבינציות. מדובר בכוח אקספוננציאלי עצום, שמגיע למצב שבו כדי להכפיל את הזיכרון של מחשב קוונטי, תידרשו להוסיף רק עוד קיוביט אחד, בשעה שלהכפלת הזיכרון של מחשב קלאסי תצרכו להוסיף שוב את כמות הביטים המלאה הקיימת בו.
זה נשמע די מושלם. אז למה בעצם שלא נייצר מחשב עם כמה מאות או אלפי קיוביטים, ונפתור את כל בעיות העולם לתמיד? להוציא קושי אחד קטן ובלתי פתיר בשלב זה - הסופרפוזיציה מתקיימת רק כל עוד אתם לא מבקשים לקבל תוצאה, כלומר למדוד אותה. ברגע שחלקיק שנמצא בסופרפוזיציה אמור להימדד או להיחשף, כלומר להצליח לשמש אותנו, הסופרפוזיציה קורסת והוא מתייצב באחת משתי האפשרויות הקלאסיות - 0 או 1, וגורר איתו גם את תאומיו השזורים.
המשמעות? מחשבים קוונטיים שוגים בלי סוף, וכל אינטראקציה עם הסביבה החיצונית תגרום להם לאבד מיידית את החישוב המסובך שביצעו בזה הרגע, שאותו אף מחשב קלאסי לא מסוגל לבצע. אתם מסתכלים, בהשאלה, על הגאון הגדול בעולם - אבל במצב דמנטי.
בניסיון למנוע את תופעת אובדן הזיכרון וההשפעה הסביבתית המיידית עליהם, מעבדים קוונטיים מבודדים מהסביבה בטמפרטורה קיצונית של מינוס 273 מעלות צלזיוס. ועדיין, האינטראקציה עימם מביאה כמות עצומה של תשובות שגויות, והמירוץ למחשוב קוונטי הוא כיום, במידה רבה, המירוץ ליצירת מכונה שתדע לברור בין התוצאות השגויות לנכונות, או כפי שבבוש והצוות מכנים זאת: קיוביטים "רועשים" (נותנים תוצאה שגויה), לעומת קיוביטים "הגיוניים" (נותנים תוצאה נכונה).
"ייקח עוד עשור עד שיהיה לנו מחשב שיידע לתקן טעויות באופן מוחלט. המטרה המיידית שלנו היא להגיע לקיוביט אחד שיש בו אפס טעויות, ושיוכל להחזיק את המצב הקוונטי למשך שנה בלי אף טעות. אני מקווה שנוכל להגיע לנקודה הזו תוך פרק זמן לא ארוך מדי", מסביר בבוש.
השאלה הדחופה יותר היא, כמובן, בשביל מה זה טוב? כלומר, בהינתן חיבור אינטרנט אולטימטיבי ומחשב רגיל חזק מספיק - מה הסיכוי שאני אזדקק בקרוב לכוח מחשוב חזק כל-כך? התשובה הפשוטה היא, כמובן, שתמיד טוב שיהיה בבית, אבל התשובה הנפוצה יותר בחוגים מקצועיים היא שהמחשב הקוונטי הוא סוג של "פטיש" מדהים, שאנחנו עדיין מחפשים את המסמרים עבורו.
יותר מזה: אם מצד אחד מחשבים קלאסיים יעילים מאוד בפתרון בעיות פולינומיאליות, למשל ביצוע מכפלות, לא חשוב באיזה אורך, מהצד השני הם מתקשים מאוד בפתרון בעיות אופטימיזציה כמו חלוקת מספר לגורמיו הראשוניים. וככל שהמספר וגורמיו יגדלו - זמן החישוב שיידרש יגדל ויהפוך די מהר ללא ריאלי.
זו הסיבה שמחשבים קוונטיים משמשים, בשלב זה לפחות, בעיקר לפתרון בעיות אופטימיזציה ספציפיות ומקצועיות, ובראשם הצפנה וקריפטוגרפיה - שמבוססות על סדרות של מספרים ראשוניים - לצד פיתוח אלגוריתמים ללמידת מכונה והדמיות של התנהגות מולקולות כימיות.
הסימולציה של מולקולה כימית, לצורך העניין, יכולה להתבצע רק במחשב קוונטי, שכן כל אטום במולקולה מושפע על ידי כל אטום אחר, וכמות הפרמטרים שהדמיית המולקולה צריכה למדוד הופכת במהירות עצומה ובלתי אפשרית למחשב רגיל.
"דישון, למשל, הוא תהליך שצורך אנרגיה עצומה. בערך שני אחוז מכלל האנרגיה בעולם, הולכים לייצור דשן", מסביר בבוש. "גילינו בקטריות שנמצאות בקרקע ויכולות ליצור דשן בזכות מולקולה מסוימת שיש להן ושאנחנו צריכים לחקור ולבודד, אבל המכניזם של המולקולה הוא קוונטי מאוד. מחשב קוונטי יוכל לבצע סימולציה של מה שקורה בתהליך הזה, ולאפשר לנו אולי לבנות גרסה תעשייתית של זה, שבתורה תאפשר לנו לייצר דשן בשיטה זולה יותר ופחות בזבזנית באנרגיה. אותו הדבר לגבי ייצור טכנולוגיית בטריות חדשה, או תאים סולריים יעילים יותר".
ומלבד סימולציות של חומרים כימיים, הצפנות, אולי מיפוי מולקולרי - יש משהו יומיומי יותר שהמחשבים הקוונטיים יידעו לעשות?
"רוב האפליקציות שאנחנו מתמקדים בהן כרגע הן יותר תעשייתיות או מדעיות, אבל בטווח הארוך יש הרבה משתנים. תחשוב על השימושים שעליהם חשבו בשנות ה-50 וה-60 למחשבים קלאסיים - הרי מנכ"ל IBM דאז טען שכל מה שהאנושות תצטרך אי פעם, הם חמישה מחשבים".
כלומר, ייתכן מצב שבו גם מחשב קוונטי יהפוך למשהו ביתי?
"כיום, בשביל רוב הדברים שאנשים עושים במחשב, אין שום סיבה להשתמש במחשב קוונטי, וגם בעתיד אני מאמין שלא סביר שמחשב כזה יהיה בבעלות אנשים פרטיים. זה יהיה משאב בענן, ואם תצטרך איזו פעולה שדורשת כוח כזה - למשל להריץ אלגוריתם קוונטי - תוכל להתחבר למחשב. אבל בהתבסס על כך שיש לנו כבר מחשב קוונטי שמסוגל לעשות דברים בפועל, אנחנו מנסים להבין איך אפשר להשתמש בו כדי לפתור בעיות שיהיו רלוונטיות גם לפיזיקאים וגם לציבור הרחב".
"האניוול" הכריזו לא מזמן על מחשב קוונטי חזק יותר משלכם עם יותר קיוביטים.
"הם טוענים שהמכשיר שלהם חזק יותר, אבל לא ראיתי עד עכשיו שום הוכחות לזה. ב'סיקאמור' חיברנו וכיילנו יחד 53 קיוביטים, אבל יכולנו בקלות להדפיס לוחות עם אלפי קיוביטים עליהם, ובוודאי שישנה עכשיו תחרות גדולה לפיתוח חומרת המחשוב הקוונטי הטובה ביותר. אבל המכשירים שכולם בונים עכשיו עדיין נתונים לטעויות, ומאפשרים לך בכל מקרה להריץ רק אלגוריתמים בעלי מורכבות מסוימת, שאחריה תופיע טעות והעבודה תיפסק. אבן הדרך הבאה שאליה אנחנו חותרים היא צמצום דרמטי של טעויות".
מתי זה יקרה? מתי בכלל יגיע תור הזהב של המחשוב הקוונטי?
"התקווה היא שברגע שיהיו לנו מחשבים קוונטיים טובים מספיק, נוכל לבנות באמצעותם מחשבים קוונטיים טובים הרבה יותר, כי האתגרים הגדולים ביותר בבניית מחשב קוונטי הם מתחום מדע החומרים - כלומר, להבין מה הפגמים בחומר ובמוליכי-העל שגורמים לטעויות, ואת זה קשה מאוד לפענח באמצעות מחשב קלאסי.
"אם יש לך מחשב קוונטי, הוא יכול יהיה לדמות את הפיזיקה של זה, ולאפשר בניית מחשב קוונטי טוב יותר. אם מדברים על תור הזהב - אני מעריך שזה במרחק של לפחות עשור מאיתנו".
אומרים שאסור לנו לחשוב על מחשבים קוונטיים כעל גרסה חזקה יותר של מחשבים קלאסיים. למה?
"עובדתית, כל מה שמחשב קלאסי מסוגל לעשות - מחשב קוונטי יהיה מסוגל לעשות טוב יותר. אבל ייקח זמן רב עד שנהיה יעילים בבניית מחשבים קוונטיים, כפי שאנחנו יעילים בבניית מחשבים קלאסיים. הם תמיד יהיו מאתגרים יותר לבנייה. ולכן אם אתה לא באמת זקוק לאחד - עדיף להשתמש במחשב הקלאסי".
בבוש, יליד דרום קליפורניה שמתגורר כיום עם אשתו בלוס אנג'לס וגולש גלים בזמנו החופשי, רצה בכלל להיות כימאי. "בתיכון ממש אהבתי כימיה, למדתי את זה בתואר הראשון אבל בשלב מסוים זה התחיל לתסכל אותי. בכימיה יש לא פעם ריאקציות שאתה לא באמת מבין, ולפעמים אתה עושה משהו וזה פשוט לא עובד, ואין לך מושג למה. חוץ מזה, הצלחתי להרעיל את עצמי פעמיים במעבדה".
בבוש הצעיר החליט לנסות להתמקד בתיאוריה, ובמידת האפשר להיעזר במחשבים כדי לחזות תוצאות. "אהבתי את התחום של הכימיה הממוחשבת, אבל די מהר הבנתי שהבעיה המרכזית בזה היא שהמשוואות הבסיסיות בכימיה מגיעות מתחום מכניקת הקוונטים, ומהר מאוד הן הופכות מורכבות ברמה שמחשבים רגילים לא יכולים לפתור אותן, בעיקר בגלל שעל מנת למצוא את הפתרון נדרשים פרקי זמן אקספוננציאליים בלתי סבירים", הוא מסביר. "ואז, למעשה, צריך לוותר ולהסתפק בהערכות גסות, ומהר מאוד החישובים כבר לא מתארים את הניסוי וזה מתסכל".
הגילוי שישנה אפשרות לבניית מחשב שישתמש במורכבות של מכניקת קוונטים כבסיס לעבודה הלהיב אותו, והוא המשיך לדוקטורט בנושא בהרווארד. "התרגשתי מאוד מהמחשבה שנוכל לדמות בעיות כימיות באופן יעיל. התחום היה עדיין תיאורטי לגמרי אז, אבל תעשיית המחשבים התחילה להסתכל על זה, ולשאול את עצמה האם יש סיכוי שנצליח לבנות בפועל את המכשירים האלה. אני אישית רציתי כבר להשתמש בהם".
כשהגיע לגוגל, צוות המחשב הקוונטי מנה חמישה אנשים. כיום הוא כולל כמה עשרות, שמתחלקים בין מפתחי חומרה, תוכנה, תיאוריה ומחקר וגם מסחר. בבוש אחראי, למעשה, על פיתוח האלגוריתמים והאפליקציות למחשב, אבל גם על "הפענוח של הדברים שמחשבים קוונטיים יכולים להיות טובים בהם, ושאנחנו עדיין לא חושבים עליהם", כפי שהוא מתאר זאת.
זה לא מתסכל לפעמים להתעסק במשהו שעדיין רחוק כל כך מחיי היומיום של רובנו?
"כשנכנסתי לתחום הרגשתי את זה הרבה יותר. כיום אנחנו כבר מוציאים מכשירים שאנשים מסוימים יכולים לגעת בהם ולשחק איתם. אנחנו מספקים שירות ענן שאפשר להתחבר אליו ולהשתמש במחשב קוונטי, כך שבמובן הזה היעד פחות מרוחק מכפי שהיה בעבר".
יש מצב שבעוד חמש שנים יתברר שכל עניין המחשוב הקוונטי בכלל לא היה הכיוון הנכון ללכת בו?
"אני חושב שכבר חלפנו על פני הנקודה הזו. תיאורטית, הניסוח מחדש של מכניקת קוונטים במונחים של תיאוריה של מחשוב הייתה מאוד מועילה מדעית והעניקה לנו הרבה תובנות, אבל גם בצד המעשי - כשהתחלנו לחשוב מה מחשב קוונטי יכול לעשות - זה עזר לנו להבהיר את המגבלות של המחשב הקלאסי.
"זה סוג של מהפכה, ואני מאמין שבכל מקרה אנחנו עומדים להגיע למחשבים קוונטים מועילים מעשית. כשרק נכנסתי לתחום, בתואר השני, רוב המדענים היו סקפטיים לגמרי בנוגע לסיכוי להגיע לעליונות קוונטית. זה היה לפני תשע שנים, והנה אנחנו כבר שם. כך שאני חושב שהשגנו הרבה בתחום, ובאופן אישי אני לעולם לא אתחרט על כך שנכנסתי אליו".
פורסם לראשונה: 10:11, 21.07.20
