עשר שנים מאוחר יותר אף אחד לא יודע מתי

לאדם פחות מיודע שקרא חבורה שלמה של פרסומים על מחשבים קוונטיים, אפשר להתרשם שמדובר במכונות "מדף" שעובדות באותו אופן כמו מחשבים רגילים. שום דבר לא יכול להיות יותר לא בסדר. חלקם אפילו מאמינים שעדיין אין מחשבים קוונטיים. ואחרים תוהים למה הם ישמשו, מכיוון שהם לא נועדו להחליף מערכות אפס-אחת.

לעתים קרובות אנו שומעים שהמחשבים הקוונטיים הראשונים והמתפקדים כהלכה יופיעו בעוד כעשור. עם זאת, כפי שציינה לינלי גוונאפ, אנליסטית ראשית בקבוצת Linley, במאמר, "כשאנשים אומרים שמחשב קוונטי יופיע בעוד עשר שנים, הם לא יודעים מתי זה יקרה".

למרות המצב המעורפל הזה, אווירת התחרות על מה שנקרא. דומיננטיות קוונטית. מודאג מהעבודה הקוונטית ומהצלחת הסינים, הממשל האמריקאי העביר בדצמבר האחרון את חוק היוזמה הקוונטית הלאומית (1). המסמך נועד לספק תמיכה פדרלית למחקר, פיתוח, הדגמה ויישום של מחשוב קוונטי וטכנולוגיות. בעוד עשר שנים קסומות, ממשלת ארה"ב תוציא מיליארדים בבניית תשתית מחשוב קוונטי, מערכות אקולוגיות וגיוס אנשים. כל המפתחים הגדולים של מחשבים קוונטיים - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft ו-Rigetti, כמו גם יוצרי האלגוריתמים הקוונטיים 1QBit ו-Zapata בירכו על כך. יוזמת קוונטים לאומית.

D-WAve Pioneers

בשנת 2007, D-Wave Systems הציגה שבב של 128 קיוביטים (2), נקרא המחשב הקוונטי הראשון בעולם. עם זאת, לא הייתה ודאות אם אפשר לקרוא לזה כך - רק עבודתו הוצגה, ללא כל פירוט על בנייתו. בשנת 2009 פיתחה D-Wave Systems מנוע חיפוש תמונות "קוונטי" עבור גוגל. במאי 2011, לוקהיד מרטין רכשה מחשב קוונטי מ-D-Wave Systems. D-wave one תמורת 10 מיליון דולר, תוך חתימה על חוזה רב שנתי לתפעול ופיתוח אלגוריתמים קשורים.

בשנת 2012, מכונה זו הדגימה את התהליך של מציאת מולקולת החלבון הסלילית בעלת האנרגיה הנמוכה ביותר. חוקרים מ-D-Wave Systems משתמשים במערכות עם מספרים שונים קיוביטים, ביצע מספר חישובים מתמטיים, שחלקם היו הרבה מעבר ליכולות של מחשבים קלאסיים. עם זאת, בתחילת 2014, ג'ון סמולין וגראהם סמית' פרסמו מאמר שטען שמכונת D-Wave Systems אינה מכונה. זמן קצר לאחר מכן, הפיזיקה של הטבע הציגה תוצאות של ניסויים שהוכיחו ש-D-Wave One עדיין ...

בדיקה נוספת ביוני 2014 לא הראתה הבדל בין מחשב קלאסי למכונת D-Wave Systems, אך מהחברה נמסר כי ההבדל ניכר רק במשימות מורכבות יותר מאלו שנפתרו בבדיקה. בתחילת 2017 חשפה החברה מכונה המורכבת לכאורה מ 2 קיוביטיםשהיה מהיר פי 2500 מהאלגוריתמים הקלאסיים המהירים ביותר. ושוב, חודשיים לאחר מכן, קבוצת מדענים הוכיחה שההשוואה הזו לא הייתה מדויקת. עבור ספקנים רבים, מערכות D-Wave הן עדיין לא מחשבים קוונטיים, אלא שלהם סימולציות בשיטות קלאסיות.

מערכת D-Wave מהדור הרביעי משתמשת חישולים קוונטייםוהמצבים של קיוביט מתממשים על ידי מעגלים קוונטיים מוליכים-על (מבוססים על מה שנקרא צומת ג'וזףסון). הם פועלים בסביבה קרובה לאפס מוחלט ומתהדרים במערכת של 2048 קיוביטים. בסוף 2018, D-Wave הציגה לשוק ג'אמפ, כלומר שלך סביבת יישומים קוונטיים בזמן אמת (KAE). פתרון הענן מספק ללקוחות חיצוניים גישה בזמן אמת למחשוב קוונטי.

בפברואר 2019, D-Wave הכריזה על הדור הבא  פגסוס. היא הוכרזה כ"מערכת הקוונטית המסחרית הנרחבת ביותר בעולם" עם חמישה עשר חיבורים לכל קיוביט במקום שישה, עם מעל 5 קיוביטים והפעלת הפחתת רעש ברמה שלא הייתה ידועה בעבר. המכשיר אמור להופיע במכירה באמצע השנה הבאה.

קוויביטים, או סופרפוזיציות בתוספת הסתבכות

מעבדי מחשב סטנדרטיים מסתמכים על חבילות או פיסות מידע, שכל אחת מהן מייצגת תשובה אחת של כן או לא. מעבדים קוונטיים שונים. הם לא עובדים בעולם אפס אחד. עצם המרפק, היחידה הקטנה והבלתי ניתנת לחלוקה של מידע קוונטי היא המערכת הדו-ממדית המתוארת חלל הילברט. לכן, הוא שונה מהקצב הקלאסי בכך שהוא יכול להיות בפנים כל סופרפוזיציה שני מצבים קוונטיים. המודל הפיזי של קיוביט ניתן לרוב כדוגמה לחלקיק עם ספין ½, כגון אלקטרון, או קיטוב של פוטון בודד.

כדי לרתום את כוחם של קיוביטים, עליך לחבר אותם באמצעות תהליך שנקרא בלבול. עם כל קיוביט נוסף, כוח העיבוד של המעבד כפול בעצמך, מכיוון שמספר ההסתבכויות מלווה בהסתבכות של קיוביט חדש עם כל המצבים שכבר זמינים במעבד (3). אבל יצירה ושילוב של קיוביטים, ואז להגיד להם לבצע חישובים מורכבים היא לא משימה קלה. הם נשארים רגיש במיוחד להשפעות חיצוניותמה שעלול להוביל לשגיאות חישוב ובמקרה הגרוע לדעיכה של קיוביטים מסובכים, כלומר. דה-קוהרנטיותשזו הקללה האמיתית של מערכות קוונטיות. ככל שמתווספים קיוביטים נוספים, ההשפעות השליליות של כוחות חיצוניים מתגברות. אחת הדרכים להתמודד עם בעיה זו היא לאפשר תוספת קיוביטים "לִשְׁלוֹט"שתפקידו היחיד הוא לבדוק ולתקן את הפלט.

3. ייצוג סמלי של מערכת IBM 50 קיוביטים

עם זאת, זה אומר שיהיה צורך במחשבים קוונטיים חזקים יותר, שימושיים לפתרון בעיות מורכבות, כמו קביעת אופן קיפול מולקולות החלבון או הדמיית התהליכים הפיזיקליים בתוך אטומים. קיוביטים רבים. טום ווטסון מאוניברסיטת דלפט בהולנד אמר לאחרונה לחדשות ה-BBC:

-

בקיצור, אם מחשבים קוונטיים אמורים להמריא, צריך למצוא דרך קלה לייצר מעבדי קיוביט גדולים ויציבים.

מכיוון שהקיוביטים אינם יציבים, קשה מאוד ליצור מערכת עם רבים מהם. אז אם, בסופו של דבר, קיוביטים כמושג למחשוב קוונטי נכשלים, למדענים יש חלופה: שערים קוונטיים של קיוביט.

צוות מאוניברסיטת Purdue פרסם מחקר ב-npj Quantum Information המפרט את יצירתם. מדענים מאמינים בכך כבודבניגוד לקיוביטים, הם יכולים להתקיים ביותר משני מצבים - למשל, 0, 1 ו-2 - ולכל מצב נוסף, כוח החישוב של קודיט אחד גדל. במילים אחרות, עליך לקודד ולעבד את אותה כמות מידע. פחות תהילה מאשר קיוביטים.

כדי ליצור שערים קוונטיים המכילים קוודיטים, צוות Purdue קידד ארבעה קוודיטים לשני פוטונים מסובכים במונחים של תדירות וזמן. הצוות בחר בפוטונים מכיוון שהם לא משפיעים על הסביבה באותה קלות, ושימוש במספר תחומים אפשר יותר הסתבכות עם פחות פוטונים. לשער המוגמר היה כוח עיבוד של 20 קיוביטים, אם כי הוא דרש רק ארבעה קוויטים, עם יציבות נוספת עקב השימוש בפוטונים, מה שהופך אותו למערכת מבטיחה עבור מחשבים קוונטיים עתידיים.

מלכודות סיליקון או יונים

למרות שלא כולם שותפים לדעה זו, נראה שלשימוש בסיליקון לבניית מחשבים קוונטיים יש יתרונות עצומים, שכן טכנולוגיית הסיליקון מבוססת היטב וכבר קיימת תעשייה גדולה הקשורה אליה. סיליקון נמצא בשימוש במעבדים הקוונטיים של גוגל ויבמ, למרות שהוא מקורר בהם לטמפרטורות נמוכות מאוד. זה לא חומר אידיאלי למערכות קוונטיות, אבל מדענים עובדים על זה.

לפי פרסום שפורסם לאחרונה ב-Nature, צוות חוקרים השתמש באנרגיית מיקרוגל כדי ליישר שני חלקיקי אלקטרונים התלויים בסיליקון ולאחר מכן השתמש בהם כדי לבצע סדרה של חישובי בדיקה. הקבוצה, שכללה, במיוחד, מדענים מאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון "השעתה" קיוביטים של אלקטרונים בודדים במבנה סיליקון, שהספין שלו נקבע על ידי אנרגיית קרינת המיקרוגל. בסופרפוזיציה, אלקטרון הסתובב בו-זמנית סביב שני צירים שונים. לאחר מכן שולבו שני הקיוביטים ותוכנתו לביצוע חישובי בדיקה, ולאחר מכן השוו החוקרים את הנתונים שנוצרו על ידי המערכת עם נתונים שהתקבלו ממחשב רגיל המבצע את אותם חישובי בדיקה. לאחר תיקון הנתונים, ניתן לתכנות מעבד סיליקון קוונטי של שני סיביות.

למרות שאחוז השגיאות עדיין גבוה בהרבה ממה שנקרא מלכודות יונים (מכשירים שבהם מאוחסנים חלקיקים טעונים כגון יונים, אלקטרונים, פרוטונים למשך זמן מה) או מחשבים  בהתבסס על מוליכים כמו D-Wave, ההישג נותר מדהים שכן בידוד קיוביטים מרעש חיצוני הוא קשה ביותר. מומחים רואים הזדמנויות להרחבה ושיפור המערכת. ולשימוש בסיליקון, מבחינה טכנולוגית וכלכלית, יש כאן חשיבות מרכזית.

עם זאת, עבור חוקרים רבים, סיליקון אינו העתיד של מחשבים קוונטיים. בדצמבר אשתקד הופיע מידע לפיו המהנדסים של חברת IonQ האמריקאית השתמשו באיטרביום כדי ליצור את המחשב הקוונטי היצרני ביותר בעולם, העולה על מערכות D-Wave ו-IBM.

התוצאה הייתה מכונה שהכילה אטום בודד במלכודת יונים (4) משתמש בקיוביטים בודדים של נתונים לקידוד, והקיוביטים נשלטים ונמדדים באמצעות פולסי לייזר מיוחדים. למחשב יש זיכרון שיכול לאחסן 160 קיוביטים של נתונים. זה יכול גם לבצע חישובים בו-זמנית על 79 קיוביטים.

4. סכימה של מלכודת יונים IonQ

מדענים מ-IonQ ערכו בדיקה סטנדרטית של מה שנקרא אלגוריתם ברנשטיין-וזיראני. המשימה של המכונה הייתה לנחש מספר בין 0 ל-1023. מחשבים קלאסיים לוקחים אחד עשר ניחושים עבור מספר של 10 סיביות. מחשבים קוונטיים משתמשים בשתי גישות כדי לנחש את התוצאה בוודאות של 100%. בניסיון הראשון, המחשב הקוונטי של IonQ ניחש ממוצע של 73% מהמספרים הנתונים. כאשר האלגוריתם מופעל עבור כל מספר בין 1 ל-1023, שיעור ההצלחה של מחשב רגיל הוא 0,2%, בעוד של IonQ הוא 79%.

מומחי IonQ מאמינים שמערכות המבוססות על מלכודות יונים עדיפות על מחשבי הסיליקון הקוונטים שגוגל וחברות אחרות בונות. מטריצת ה-79 קיוביטים שלהם עולה על המעבד הקוונטי של גוגל Bristlecone ב-7 קיוביטים. תוצאת IonQ מרעישה גם בכל הנוגע לזמן פעולה של המערכת. לדברי יוצרי המכונה, עבור קיוביט בודד הוא נשאר על 99,97%, כלומר שיעור שגיאות של 0,03%, בעוד שהתוצאות הטובות ביותר של התחרות היו בממוצע של כ-0,5%. שיעור השגיאה של שני סיביות עבור מכשיר ה-IonQ צריך להיות 99,3%, בעוד שרוב המתחרים אינם עולים על 95%.

כדאי להוסיף את זה, לפי חוקרי גוגל עליונות קוונטית - הנקודה שבה מחשב קוונטי מתעלה על כל המכונות הזמינות האחרות - כבר ניתן להגיע עם מחשב קוונטי עם 49 קיוביטים, בתנאי ששיעור השגיאות בשערי שני קיוביטים נמוך מ-0,5%. עם זאת, שיטת מלכודת היונים במחשוב קוונטי עדיין עומדת בפני מכשולים עיקריים שיש להתגבר עליהם: זמן ביצוע איטי וגודל עצום, כמו גם הדיוק והמדרגיות של הטכנולוגיה.

מעוז צפנים בחורבות ותוצאות אחרות

בינואר 2019 ב-CES 2019, הודיעה מנכ"לית יבמ, ג'יני רומטי, ש-IBM כבר מציעה מערכת מחשוב קוונטי משולבת לשימוש מסחרי. מחשבים קוונטיים של IBM5) ממוקמים פיזית בניו יורק כחלק מהמערכת IBM Q System One. באמצעות Q Network ו-Q Quantum Computational Center, מפתחים יכולים להשתמש בקלות בתוכנת Qiskit כדי להרכיב אלגוריתמים קוונטיים. לפיכך, כוח המחשוב של מחשבי קוונטים של IBM זמין כ שירות מחשוב ענן, במחיר סביר.

גם D-Wave מספקת שירותים כאלה כבר זמן מה, ושחקנים גדולים אחרים (כגון אמזון) מתכננים הצעות ענן קוונטי דומות. מיקרוסופט הלכה רחוק יותר עם ההקדמה שפת תכנות Q# (מבוטא כמו) שיכול לעבוד עם Visual Studio ולרוץ על מחשב נייד. למתכנתים יש כלי לדמות אלגוריתמים קוונטיים וליצור גשר תוכנה בין מחשוב קלאסי למחשוב קוונטי.

עם זאת, השאלה היא למה מחשבים וכוח המחשוב שלהם יכולים להיות שימושיים בעצם? במחקר שפורסם באוקטובר האחרון בכתב העת Science, מדענים מ-IBM, מאוניברסיטת ווטרלו והאוניברסיטה הטכנית של מינכן ניסו להעריך את סוגי הבעיות שנראה כי מחשבים קוונטיים מתאימים ביותר לפתור.

על פי המחקר, מכשירים כאלה יוכלו לפתור מורכבים אלגברה לינארית ובעיות אופטימיזציה. זה נשמע מעורפל, אבל אולי יש הזדמנויות לפתרונות פשוטים וזולים יותר לנושאים הדורשים כיום מאמץ, משאבים וזמן רב, ולעיתים הם מעבר להישג ידנו.

5. מחשב קוונטי של IBM

מחשוב קוונטי שימושי לשנות בצורה דימטרית את תחום ההצפנה. הודות להם, קודי הצפנה ניתן לפצח במהירות ואולי, טכנולוגיית הבלוקצ'יין תושמד. כעת נראה שהצפנת RSA היא הגנה חזקה ובלתי ניתנת להריסה המגנה על רוב הנתונים והתקשורת בעולם. עם זאת, מחשב קוונטי חזק מספיק יכול בקלות לפצח הצפנת RSA באמצעות האלגוריתם של שורה.

איך למנוע את זה? יש התומכים בהגדלת אורך מפתחות ההצפנה הציבוריים לגודל הדרוש כדי להתגבר על פענוח קוונטי. עבור אחרים, יש להשתמש בו לבד כדי להבטיח תקשורת מאובטחת. הודות להצפנה קוונטית, עצם יירוט הנתונים ישחית אותם, ולאחר מכן האדם המפריע לחלקיק לא יוכל לקבל ממנו מידע שימושי, והנמען יוזהר מפני ניסיון ההאזנה.

גם יישומים פוטנציאליים של מחשוב קוונטי מוזכרים לעתים קרובות. ניתוח ותחזית כלכלית. הודות למערכות קוונטיות, ניתן להרחיב מודלים מורכבים של התנהגות שוק כך שיכללו הרבה יותר משתנים מבעבר, מה שמוביל לאבחנות ותחזיות מדויקות יותר. על ידי עיבוד בו-זמנית של אלפי משתנים על ידי מחשב קוונטי, ניתן יהיה גם להפחית את הזמן והעלות הנדרשים לפיתוח. תרופות חדשות, פתרונות הובלה ולוגיסטיקה, שרשראות אספקה, מודלים אקלימייםכמו גם לפתרון בעיות רבות אחרות בעלות מורכבות ענקית.

חוק נבנה

לעולם המחשבים הישנים היה חוק מור משלו, בעוד שמחשבים קוונטיים חייבים להיות מודרכים על ידי מה שנקרא חוק נבנה. הוא חייב את שמו לאחד המומחי הקוונטים הבולטים בגוגל, הרטמוט נבנה (6), הקובע כי התקדמות בטכנולוגיית המחשוב הקוונטי נעשית כעת ב מהירות מעריכית כפולה.

המשמעות היא שבמקום להכפיל את הביצועים באיטרציות עוקבות, כפי שהיה במקרה של מחשבים קלאסיים וחוק מור, הטכנולוגיה הקוונטית משפרת את הביצועים הרבה יותר מהר.

מומחים חוזים את הופעתה של עליונות קוונטית, שניתן לתרגם לא רק לעליונות של מחשבים קוונטיים על פני כל מחשבים קלאסיים, אלא גם בדרכים אחרות - כתחילתו של עידן של מחשבים קוונטיים שימושיים. זה יסלול את הדרך לפריצות דרך בכימיה, אסטרופיזיקה, רפואה, אבטחה, תקשורת ועוד.

עם זאת, ישנה גם דעה כי עליונות כזו לעולם לא תתקיים, לפחות לא בעתיד הנראה לעין. גרסה מתונה יותר של ספקנות היא זו מחשבים קוונטיים לעולם לא יחליפו מחשבים קלאסיים כי הם לא נועדו לעשות זאת. אי אפשר להחליף אייפון או PC במכונת קוונטים, כמו שאי אפשר להחליף נעלי טניס... עם נושאת מטוסים גרעינית.. מחשבים קלאסיים מאפשרים לך לשחק משחקים, לבדוק דוא"ל, לגלוש באינטרנט ולהפעיל תוכניות. מחשבים קוונטיים ברוב המקרים מבצעים סימולציות מורכבות מדי עבור מערכות בינאריות הפועלות על סיביות מחשב. במילים אחרות, צרכנים בודדים כמעט ולא יקבלו תועלת ממחשב קוונטי משלהם, אבל הנהנים האמיתיים מההמצאה יהיו, למשל, נאס"א או המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס.

הזמן יגיד איזו גישה מתאימה יותר - יבמ או גוגל. על פי חוק נבן, אנו נמצאים במרחק של מספר חודשים בלבד מלראות הפגנה מלאה של עליונות קוונטית של צוות כזה או אחר. וזה כבר לא סיכוי "בעוד עשר שנים, כלומר, אף אחד לא יודע מתי".