מחשב קוונטי – קפיצת הדרך הבאה בעולם המחשבים

מחשוב קוונטי. צילום: מתוך Youtube (Google)
מחשוב קוונטי. צילום: מתוך Youtube (Google)

שתפו את הכתבה:

שיתוף ב facebook
שיתוף ב twitter
שיתוף ב telegram
שיתוף ב whatsapp

באוקטובר 2019, Google טענה שהשיגה עליונות קוונטית. החברה הודיעה כי מדעניה הצליחו לפתור בעיה מורכבת ב-200 שניות באמצעות המחשב קוונטי שלה, בעיה אשר מחשב העל החזק ביותר של IBM היה פותר תוך לא פחות מ-10,000 שנים. IBM טענה מנגד שמידע זה לא מדויק, וכי אם תכניס מספר שיפורים למחשב שלה, אז הוא יוכל לבצע משימה מורכבת זו תוך פחות מיומיים וחצי. כך או כך לפי Google, תידרש עוד הרבה עבודה קשה, ופיתוח שיארכו מספר שנים. אז יצאנו לבדוק מה זה בעצם המחשב הקוונטי הזה, איך הוא עובד, והאם הוא באמת הולך לשנות את עולם המחשבים, כפי שנטען על ידי לא מעט מחבריה של קהילת המדענים.

אופן הפעולה של מחשב קוונטי

כשמדברים איתנו על פיזיקת הקוונטים, הדבר הראשון שעולה לנו זה מאיץ החלקיקים LHC, אך מחשב קוונטי הוא למעשה דבר פחות ענק ומפותח. כדי להבין איך עובד מחשב קוונטי, עלינו להבין קודם איך עובד מחשב סטנדרטי. יחידת המידע במחשב סטנדרטי נקראת סיבית או ביט, כאשר יחידה זו יכולה להימצא באחד משני המצבים הבאים – 1 או 0. על מנת שמחשב סטנדרטי יבצע פעולות, עלינו "לדבר" אתו. המחשב מבין קוד בינארי, שהוא בעצם קוד שכולו מורכב מצירופים של-0 ו-1. כל שפות התכנות הקיימות למעשה מהוות מעין תרגום לקוד בינארי. אם נרצה לכתוב את המילה HELLO באמצעות קוד בינארי, הקוד שלנו יראה בדיוק כך:

01001111 01001100 01001100 01000101 01000101

במחשב קוונטי לעומת זאת, הדברים עובדים קצת אחרת. במחשב קוונטי יחידת החישוב נקראת ביט קוונטי או קיוביט, כאשר יחידה זו יכולה להימצא במצב 0 או 1, או בכל סופרפוזיציה קוונטית שלהם.
סופרפוזיציה קוונטית היא עיקרון בסיסי בתורת הקוונטים. בתורת הקוונטים, מתואר מצב המערכת על ידי פונקציית גל, המתארת את ההסתברויות לאפשרויות השונות של מצב המערכת. בהינתן בסיס וקטורי הפורש את מרחב המצבים של המערכת ניתן לתאר את מצב המערכת סופרפוזיציה של מצבי הבסיס. באופן דומה, במחשב סטנדרטי, Register בן n ביטים, יכול לייצג כל אחד מ- מצבים שונים. ובמחשב קוונטי לעומת זאת, ה-Register יכול לייצג כל סופרפוזיציה של מצבים שונים. כמו כן לעומת שערים לוגיים שבהם משתמש מחשב סטנדרטי, מחשב קוונטי משתמש בשערים קוונטיים, כלומר, שער קוונטי יכול לממש כל אופרטור יוניטרי על מספר קיוביטים, והתוצאה שלו תהיה בת מספר זהה של קיוביטים.

מחשוב קוונטי. צילום: מתוך Youtube (Google)
מחשוב קוונטי. צילום: מתוך Youtube (Google)

 

התכנות במחשב קוונטי עובד אף גם הוא באופן השונה מן המקובל במחשב סטנדרטי. בשפת התכנות הבסיסית אנו משתמשים בשערים קוונטיים כדי לשנות את הערך של הקיוביטים. יש בידינו ארסנל של פקודות אקזוטיות כגון SWAP – פקודה שבאמצעותה ניתן להחליף בין ערכים של קיוביטים, Pauli-X – שהיא סוג של מקבילה ל-NOT שקיימת בשערים לוגיים שבהם משתמשים מחשבים סטנדרטיים, ו-Hadamard אשר משנה ערך של קיוביט לסופרפוזיציה של 0 או 1. עד כה טרם פותחה שפת תכנות שתהא מגוונת ועשירה כמו ++C למשל, אך גם Google וגם IBM פיתחו ממשק גרפי שהופך את התכנות באמצעות שערים קוונטיים לנוח ונגיש יותר.

הכירו את Sycamore – המחשב הקוונטי של Google

Sycamore המחשב הקוונטי אשר מפותח על ידי חטיבת האינטליגנציה המלאכותית של Google, עלה לראשונה לתודעה באוקטובר 2019, כאשר Google הכריזו על עליונות קוונטית. המחשב ממוקם בסנטה ברברה באזור תעשייה אשר מאוכלס ברובו במשרדים של חברות טכנולוגיה. באחד המבנים ממוקם המחשב הקוונטי של Google, בתוך מתקן שהוא מעין מקרר רב שכבות. ככל שאנו נכנסים לעומקו הוא הופך להיות יותר ויותר קר. במרכז מתקן הקירור, בתוך מיכל ואקום, מוחזק השבב שהוא למעשה המחשב הקוונטי, במעלות שהם ממש כחוט השערה מעל האפס המוחלט. לעין הערומה זה יראה כמו שבב סיליקון סטנדרטי, אך למעשה מורכבים עליו מעגלים מיניאטוריים שבמעלות נמוכות כל כך, מתפקדים כאילו היו אטומים שמצייתים לחוקי הפיזיקה הקוונטית. כל אחד מהם הוא למעשה ביט קוונטי, כאשר על Sycamore מורכבים 53 כאלו.

כפי שהזכרנו בתחילת הכתבה, Google טענה שאחד משבבי ה-Sycamore הצליח לבצע בהצלחה בתוך כ-3 דקות, חישוב שמחשב העל של IBM שהוא פאר הטכנולוגיה בפני עצמו, כנראה שהיה מבצע בתוך כ-10,000 שנים.
מדובר בחישוב מורכב ביותר של כמה סדרות מספרים. יומיים לאחר מכן כתגובת נגד, IBM טענו כי אם היו מכניסים מספר שדרוגים למחשב שלהם אז חישוב זה היה לוקח פחות זמן מכפי שנטען, לכן ההודעה של Google לא מדויקת. למרות טענה זו של IBM, גם במידה והיא נכונה, יש להכיר בעובדה ש-Sycamore עדיין ביצע את זה פי יותר מאלף יותר מהר ממה שמחשב העל של IBM היה מבצע, גם אם היו משדרגים אותו כפי שטענו.

וגם ל-IBM יש מחשב קוונטי והוא זמין בענן

למרות של-Google יש גם מחשב של 72 קיוביט, אך הוא אינו נגיש לקהל, בספטמבר 2019, IBM  פיתחה את המחשב העצמתי ביותר הקיים בעולם ונגיש לקהל. זהו מחשב קוונטי של 53 קיוביט, אשר נגיש לשימוש גם בענן.
IBM מעודדת מחשוב קוונטי בענן כבר מאז 2016. פוטנציאלית, זהו כלי עצמתי עבור חברות שצריכות שירות זה, שכן מחשבים אלו יכולים לבצע משימות מורכבות ביותר בזמן קצר יותר,אך לעתים יש הבדל בין הרצוי למצוי, ועקב מספר כישלונות בשיתופי פעולה של IBM עם חברות רפואה, כאשר במחקרים נתקבלו תוצאות מעורבות ולא מדויקות מספיק, נראה שהרגע שטכנולוגיה זו תהפוך לאפקטיבית באמת הוא עוד רחוק.

IBM מציעים נכון להיום כ-15 מחשבים קוונטיים לשימוש חופשי בענן, ומחזיקה כ-12,000 משתמשים, שרובם הם חוקרים ואקדמאים שמתעניינים בנושא, ויכולים להתנסות במחשוב קוונטי. מדובר במחשבים קוונטיים בעלי 5 עד 53 קיוביט, כאשר השימוש בחזקים יותר הוא בתשלום, ובהם משתמשים בעיקר חברות. למידע נוסף בקרו באתר הבית.

האם המחשב הקוונטי הולך לשנות את פני הטכנולוגיה

אף אחד מן המחשבים המוזכרים לעיל טרם הוכיח שהוא יכול לעשות משהו יותר טוב ממחשב רגיל מבחינה מהותית, לעומת Sycamore של Google שלמעשה היה הראשון שעשה זאת נכון לכתיבת שורות אלו.
יש להסיק שלמרות ההישג המדהים של Sycamore, אנו צועדים אל תוך עידן חדש שכולו פיזיקת הקוונטים, שאותה איננו מבינים לחלוטין עדיין, יש עוד מספר שנים של מחקר ופיתוח עד ששימוש במחשבים אלו יוכל לפתור בעיות מהותיות בצורה מהירה באופן יוצא מן הכלל.

מעבד קוונטי של גוגל. צילום: מתוך Youtube (Google)
מעבד קוונטי של גוגל. צילום: מתוך Youtube (Google)

 

הדמיון יכול להשתולל ממה שניתן להשיג מטכנולוגיה זו. מפיתוח חיסונים במהירות, מה שהיה יכול להיות רלוונטי במיוחד למאבק במגפות כמו ה-COVID-19 למשל, ועד ניתוח נתונים במהירות של תוצאות מחקרים בין כוכביים שאורכות בדרך כלל מספר שנים. או אפילו דברים יותר פשוטים, אך נחוצים, כמו למשל הורדת זמני הטעינה באינטרנט לכמעט 0 מוחלט.
הקשיים הנעוצים בפיתוח טכנולוגיה זו, מעבר לעובדה שמדובר בתחום מחקרי נועז, העלויות הם אדירות, וזמני המחקר הם ארוכים כך שעיקר העבודה האמתית על מחשבים קוונטיים נעשית כרגע יותר בתחום התחזוקה והמחקר.
אין ספק שמדובר בטכנולוגיה מדהימה, אך עד שיגיע היום שזמני הטעינה במשחקי המחשב האהובים עלינו יתקצרו לפחות משניה, כנראה שנאלץ להסתפק בטכנולוגיות העכשוויות שממילא משתפרות מיום ליום, ומשום שלא מעט טכנולוגיות שבעבר נשמעו לנו כמו מדע בדיוני, וכיום הן דבר שאנו רגילים להשתמש בו באופן שגרתי, כמו האינטרנט למשל, אין מן הנמנע שאנו נמצאים ממש בתחילתו של עידן חדש בעולם המחשבים.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *

כתבות באותו הנושא