האולם בו מפותחים ופועלים המחשבים הקוונטים של IBM, במדינת ניו יורק שבארה"ב. משם הם גם מקושרים לרשת האינטרט וזמינים לשימוש חברות זרות | תמונה: Connie Zhou/IBM Research/Flickr
מהפכת המחשוב הקוונטי התקדמה השנה מספר צעדים חשובים קדימה. רוצים להשתמש בכוח המחשוב המדהים שלהם? זה כבר אפשרי. IBM העלתה לענן מחשבים קוונטים קודמים שפיתחה, כך שניתן להפעיל אותם דרך האינטרנט ולהיעזר בהם. עכשיו החברה שוקדת על מחשב קוונטי גדול יותר, בעל כוח חישוב שמעולם לא היה לשום מחשב בעולם לפניו. הוא צפוי לקדם את תעשיית הבינה המלאכותית לשיאים שלא הכרנו. אז מה בעצם קורה כאן?
אם נחשוב על המחשבים הרגילים שלנו, יחידות המידע הבסיסיות שלהם, ה"ביטים", פשוטים למדי. הם מסוגלים להיות רק בשני מצבים, "0" או "1". הביטים של המחשב הקוונטי לעומת זאת, "קיוביטים", מסוגלים להיות בהרבה מצבים, כי הם מנצלים את התופעות המיוחדות והמוזרות של מכניקת הקוונטים.
הגענו לשלב של "עליונות קוונטית": המחשבים הקוונטים שבפיתוח כבר עוקפים את המחשבים הרגילים ומבצעים חישובים שלא התאפשרו עד היום
חשבתם שחפץ יכול להיות רק במקום אחד מוגדר ובמצב ספציפי? אז לא. בעולם הזעיר של החלקיקים הקוונטים כל חלקיק יכול להיות במספר מקומות ובמספר מצבים בו זמנית. כך גם הקיוביטים של המחשב הקוונטי. הם מסוגלים להיות ב-"0" או ב-"1" או בכל שילוב של שני המצבים האלו. ריבוי המצבים הזה הוא בעצם מה שמאפשר למחשבים הקוונטים לבצע חישובים רבים בו זמנית.
וזה לא רק זה. תופעה קוונטית נוספת, "שזירה", מאפשרת להגדיל הרבה יותר את מספר המצבים וכך גם את מספר החישובים שהוא מסוגל לבצע בו זמנית. השזירה הזו מתייחסת לקשרים ההדוקים שחלקיקים קוונטים מסוגלים ליצור בינם לבין עצמם, כשהם בעצם משתלבים למערכת אחת ומלוכדת.
המחשב הקוונטי גדול המידות של חברת D:Wave | תמונה: Charles Lindsay Bshope/CC-BY-SA-4.0
וכדי להבין את יעילות החישוב, תחשבו למשל על שני קיוביטים שזורים, ביחד הם יכולים להיות בארבעה מצבים שונים "00", "01", "10" ו-"11". קיוביט שלישי שיצטרף כבר יאפשר שמונה מצבים שונים בו זמנית וקיוביט רביעי יעלה את המספר ל-16. למעשה, כל קיוביט שנוסיף יעלה את החזקה וכך יכפיל פי שניים את מספר המצבים האפשריים, וכך גם את כוח החישוב של המחשב. מאות בודדות של קיוביטים כבר יהיו מסוגלים לערוך בו זמנית מספר רב יותר של חישובים מכמות האטומים הקיימים בכל היקום הנראה שלנו.
נשמע נפלא, אבל בדיוק כאן גם הבעיה שעיכבה במשך שנים את פיתוח המחשבים האלו. קשה לשמור על החלקיקים במצבים הקוונטים האלו לאורך זמן. כל השפעה או רעש קטן מהסביבה משבש את הקשרים ההדוקים בקרב הקיוביטים וגורם להם לקרוס למצבים ודאיים של או "0" או "1", כך שלמעשה מוציא את המחשב הקוונטי מכלל תפקוד. המחשב החדש של IBM למשל, מסוגל לתפקד למשך כ-90 מיליוניות השנייה. נשמע כמעט כלום אבל מתברר שזה הישג מרשים מאוד בהשוואה לשלבים מוקדמים יותר בפיתוח, שנים בודדות קודם לכן, ושהמחשב הזה מספיק לבצע לא מעט באותן 90 מיליוניות השנייה.
נציג חברת D:Wave מציג את טכנולוגיית המחשב הקוונטי של החברה | תמונה: Fox Diller/Flickr
אבל גם בשביל פרק הזמן הקצר הזה נדרש תנאי קיצוני נוסף: המחשב של IBM, כמו מחשבים קוונטים אחרים, מסוגל לשרוד במצב הקוונטי רק אם הוא פועל בטמפרטורות שקרובות לאפס המוחלט (271- מעלות צלזיוס) – הוא דורש טמפרטורה של מאיות המעלה בלבד מעל לאותו אפס מוחלט.
IBM היא מהשחקנים המובילים במרוץ הכלל עולמי לפיתוח מחשבים קוונטים. ב-2016 כשהמחשב המוביל שלה כלל 5 קיוביטים, היא העלתה אותו ל"ענן" באינטרנט, וכך אפשרה לכל המעוניינים להשתמש במחשב, ולנצל את כוח החישוב שלו. בסוף 2017 היא העלתה ל"ענן" מחשב חזק הרבה יותר שכבר כולל 20 קיוביטים. אבל גולת הכותרת של IBM הוא הפיתוח שעליו היא שוקדת בימים אלה, הכולל 50 קיובטים. מתמודדות מובילות נוספות במרוץ הן גוגל, שבוחנת כעת את ביצועיו של מחשב הכולל 72 קיוביטים, ואינטל שהכריזה בינואר השנה שהיא מפתחת מחשב הכולל 49 קיוביטים. גם מיקרוסופט ומגוון חברות סטארט אפ מקדמות במרץ גרסאות משלהן.
מתברר שלסדרי הגודל הנוכחיים של 50 קיוביטים ומעלה כבר יש משמעות חשובה. כשמדובר במספר מצומצם יחסית של קיוביטים, 30 למשל, הדברים עדיין פשוטים וגם מחשב רגיל מסוגל לערוך סימולציות של מחשבים כאלו, כלומר לערוך בעצמו את החישובים שהם מציעים. אבל סדר גודל של 50 קיוביטים (2 בחזקת 50 מצבים שונים בו זמנית) זה כבר יותר מדי לסימולציות שרצות על המחשבים הרגילים שלנו – הם פשוט לא מסתדרים עם הכמות העצומה של החישובים. כך, אבן הדרך החשובה שהושגה בשנה האחרונה מציינת שהגענו לשלב של "עליונות קוונטית". כעת, המחשבים הקוונטים שבשלבי פיתוח כבר מצליחים לעקוף את המחשבים הרגילים ולבצע חישובים שלא התאפשרו עד היום – חישובים שפשוט בלתי אפשריים במחשבים הרגילים. אמנם ייעברו כנראה עוד מספר שנים עד שמחשבים קוונטים יימכרו בשוק, אבל כבר כיום הם זמינים לשימוש וחברות סטארט אפ רבות מנצלות אותם ונעזרות בהם בפיתוחים שלהן.
באיזה פיתוחים הם משתלבים? על אילו יישומים מדובר? בתחילה, כשבשנות ה-80 רק התחילו לדבר על מחשבים קוונטים, ראו את הפוטנציאל האדיר שלהם בחישובים הנדרשים להצפנה – התבררה הסכנה שמחשבים קוונטים צפויים להביא אתם, כשיפרצו בקלות וביעילות את שיטות ההצפנה המקובלות.
שימוש חיובי יותר שנעשה בהם בשנים האחרונות הוא הדמיה של מולקולות, תהליך שכלל לא פשוט לנהל בסימולציה במחשב רגיל, עם ריבוי החלקיקים שמרכיבים את המולקולות ועם ההשפעות ההדדיות בקרב החלקיקים. כיום, מגוון חברות סטארט אפ נעזרות במחשבים קוונטים כדי לפתח חומרים חדשים לתעשיות הכימיות או חלבונים חדשים לתעשיית התרופות. חברות אחרות נעזרות במחשבים קוונטים לשימושים פיננסיים כמו מחקרי שוק וניתוח סיכונים, וחברות אחרות לאלגוריתמי אבטחה, לזיהוי ולתיקון שגיאות ועוד.
בשנים האחרונות מתברר תחום חשוב שממתין בקוצר רוח לכוחות החישוב העצומים של המחשבים הקוונטים – הבינה המלאכותית, בעיקר עם מערכות "הלמידה העמוקה", שמדמות את פעילות המוח שלנו. כבר כיום, כשמערכות הלמידה העמוקה חודרות כמעט לכל תחום בחיינו, עם ההישגים המרשימים שלהן בזיהוי תבניות כמו דיבור או תמונה, נראה שהשבבים הרגילים שלנו כבר לא מסוגלים לעמוד בקצב הנדרש. קבוצות פיתוח רבות בוחנות כיצד המחשבים הקוונטים יאפשרו ליישומי הבינה המלכותית להמשיך ולפרוץ קדימה.