היכן תניח אותו? מתיאוריה למציאות: המחשוב הקוואנטי חודר לתעשייה הביטחונית

Skyler Frink

מעבדי נתונים המתמחים בטיפול במטלות מסובכות ביותר או פתוחות בתקופות זמן קצרות יש תכונות ייחודיות, והם עתידים ליצור שינויים נרחבים בתעשייה הביטחונית.
המחשבים טובים בפיתרון מגוון רחב של בעיות וביצוע תכניות, אולם מחשבים מודרניים, עם כל העוצמות שלהם, עדיין כושלים כאשר מדובר בהשלמת מטלות מאוד מסובכות או פתוחות בתקופות-זמן קצרות. זה המקום בו מקווים שמחשבי קוואנטום ישלימו את הפער.
בעוד מחשבי הקוואנטום היו רק בתחום התיאוריה והמדע הבדיוני לפני עשור שנים, כיום הם נמכרים ומוצאים בהם שימוש. למחשבים אלה יש תכונות ייחודיות המאפשרות להם לפתור בעיות שמחשבים רגילים אינם יכולים לפתור. בעוד שמחשבים קוואנטים אלה אינם בשימוש נרחב, או אף מובנים במידה רחבה, הם עתידיים לגרום לשינויים נרחבים בתעשייה הביטחונית.
המחשוב הקוואנטי לכד את עינם של חברות וארגונים אחדים המסתכלים קדימה. Google, NASA, Lockheed Martin, Raytheon ואחדים אחרים החלו לחקור את יכולותיהם.
מחשוב קוואנטי עתיד להיות קפיצה רצינית קדימה בטכנולוגיה. הוא מציע לא רק כוח-יתר לעומת מחשבים אחרים, אלא גם דרך שונה לפתור בעיות. “לטכנולוגיה זו תהיה השפעה גדולה יותר בפיתרון הבעיות המאתגרות ביותר מאשר כל טכנולוגיה שהופיעה עד כה”, אומר Bo Ewald, נשיא של .D-Wave Systems Inc. ב-,Burnaby ,British Columbia המתמחית במחשוב קוואנטי.לחברות אחרות יש מחשוב קוואנטי עבור יישומי אוויר וביטחון. “מחשוב קוואנטי חזק יאפשר לנו להנדס את הדור הבא של המערכות והטכנולוגיות הגדלות במורכבותן עבור הלקוחות שלנו, תוך צמצום העלויות”, אומר Brad Pietras, סגן נשיא לטכנולוגיה של Lockheed Martin ב-Bethesda, Md. “מחשבי קוואנטום יכולים לבצע פעולות מרובות בו-זמנית, הנותנות רזולוציה מהירה יותר משמעותית בהשוואה למחשבים הרגילים. באמצעות המחקר והשותפות שלנו עם מומחים מאוניברסיטת Southern California אנחנו מצפים לנצל את יכולות העיבוד הענקיות במחשוב קוואנטי של D-Wave כדי לבדוק מערכות מורכבות לביצועים ללא-שגיאות באמצעות תהליך הידוע כאימות ואישור התוכנה”.
שיעור קצר במכניקה קוואנטית
מכניקה קוואנטית, עליה מבוסס המחשוב הקוואנטי, היא התיאוריה שמסבירה כיצד מתנהגים חלקיקים תת-אטומיים, המכונים גם חלקיקים קוואנטיים. אחד הראיונות העיקריים של המכניקה הקוואנטית היא שהתכונות של חלקיק תת-אטומי אינן ברורות עד לשלב שהן נמדדות. כאשר חלקיק תת-אטומי לא נמדד הוא מוגדר כנתון במצבי חפיפה (superposition).
בגלל החפיפה, כל מי שלומד מערכת קוונטית אינו יכול לנבא את תוצאת מדידה מסוימת בדיוק של 100%, אך הוא יכול להניח הסתברות. מיד לאחר ביצוע מדידה, ניתן לומר בוודאות היכן נמצא החלקיק, אך עד שהוא לא נמדד אין לו מצב.
הסתבכות הקוואנטום היא גם תכונה חשובה של המחשוב הקוואנטי. הכוונה היא כאשר שני חלקיקים תת-אטומיים קשורים ביניהם, וגורמים שמדידה של פוטון אחד תשפיע מיידית על הפוטון השני, גם אם הם רחוקים זה מזה ומבודדים ביניהם. דבר זה מאפשר לחלקיקים תת-אטומיים להיות קשורים אחד עם השני, בדומה לאופן בו ביטים קשורים ביניהם במחשב רגיל.
מחשב קוואנטי שונה ממחשב מסורתי מאחר שהוא לא מוגבל לשימוש בביטים שיכולים להתקיים רק בשני מצבים – אפס או אחד. במקום זאת, מחשב קוואנטי משתמש בביטים קואנטיים או קיוביטים (qubits) שיכולים להיות אפס, אחד או כל חיבור בין שני המצבים באותו הזמן.
היכולת של קיוביט להתקיים במצבים אחדים שונים באותו הזמן מעניקה יתרון גדול כאשר מדובר בעיבוד מקבילי. מחשבים רגילים מעבדים מידע בצורה רציפה, בעוד מחשב קוואנטי מעבד מידע במקביל מאחר שהנתונים קיימים במצבים אחדים עד שהם מתגלים.

החשיבות של מחשוב קוואנטי
מחשב רגיל יכול לבצע שלושה דברים, עם מערך-הביט מכוון לאחד, מכוון לאפס או מסתכל על ביט שונה ומשתמש בו כדי להחליט איזה ערך להקנות לביט השונה. מחשבים רגילים מבצעים תהליך זה ביט אחר ביט עד שהתוכנית מסתיימת. קיוביט של מחשב קוואנטי, הקיים בתור אחד, אפס או חפיפה ביניהם, משמע שהוא למעשה אחד ואפס באותו הזמן. דבר זה מאפשר לכל צעד של המחשב הקוואנטי להריץ את כל השינויים של כל ביט באותו הזמן, ומעניק להם כוח מחשוב גבוה יותר אקספוננציאלית מאשר במחשב רגיל.
בשל ההשפעה שיש למדידה על חלקיקים תת-אטומיים, אם קיוביט בא במגע עם הסביבה שלו המצב הקוואנטי שלו יגלוש למצב מעורב. דבר זה מכונה decoherence, והוא פוגע ביעילות של מחשב קוואנטי בגרמו לקיוביט מסוים להתרחק מהחפיפה שלו. תהליך ה-decoherence מכונה לרוב רעש, ובעיה דומה מופיעה במחשבים הרגילים.
מחשבים רגילים מטפלים ברעש על ידי אכסון נתונים בעלי הדירות; ביטים מועתקים ומשוחזרים מאוחר יותר. המצבים של חלקיק תת-אטומי לא ניתנים להעתקה, וגם אם הדבר היה אפשרי אף אחד לא היה מסוגל לגלות שגיאה מבלי לבצע מדידה (ובכך לשנות את מצב החלקיק). אולם נעשתה התקדמות בתיקון השגיאות, ושיטות שונות של מחשוב קוואנטי מקטינות את השגיאות. אחת הדרכים הראשוניות להקטנת ה-decoherence היא להחזיק מחשבים קוואנטיים בטמפרטורות קרובות לאפס המוחלט.
מחשבים קוואנטיים מסוגלים לבצע מספר קטן יחסית של יישומים. יישומים אלה הם לרוב אלה שמחשבים רגילים מתקשים לטפל בהם תוך פרק זמן קצר יחסית, אם בכלל.
אחד התחומים שהמחשוב הקוואנטי מתאים לו היטב הוא בדיקת הקודים בתוכנה. “הם משתמשים במערכות שלנו כחלק מתהליך האימות והבדיקה”, אומר Ewald מ-D-Wave Systems.. “לא חשוב מה שמחשב רגיל יעשה, יהיה צורך לתכנת אותו בצורה נפרדת. הם מבצעים פקודות רבות כנגד נתונים רבים בצורה מתוכננת מראש. מחשב רגיל יכול להיות טוב בזה אם אתה, האדם, יכול לחשוב על כל התנאים האפשריים, אולם עם מכונה קוואנטית, מאחר שהיא יותר הסתברותית, אתה יכול לעבוד מאוד מהר ובקלות”.
בשעה שהקוד של תוכניות ביטחוניות גדל בהרבה, – למטוס הקרב F-35 בלבד יש מעל 10 מיליוני שורות של קוד על המטוס – הצורך באימות ובדיקה של הקודים הופך לכוח המניע מאחורי הזיקה של התעשייה למחשבי קוואנטום.
עדיין, אימות הקוד הוא רק יישום אחד של מחשוב הקוואנטום. יישום אחר הוא בבעיות הייטוב. כאשר נדרשים לחשב נתיבים אידיאליים לתנועה, בין אם באוויר או על הקרקע, מחשבי הקוואנטום מציעים דרך מהירה למצוא אותם.
“עם מחשב הקוואנטום שלנו, אתה יכול למפות בעיה עד שתמצא את הפיתרון בעל האנרגיה הנמוכה ביותר של בעיה זו”, מסביר Ewald. “אם אתה עושה את המיפוי נכון, הפיתרון בעל האנרגיה הנמוכה ביותר יהיה פיתרון מיוטב. זה לא בהכרח הפיתרון המיטבי, אך זה אחד מהפתרונות המיטביים ביותר”. אם ניתן להציג בעיה למחשב קוואנטום בדרך שהוא מבין, זה יהיה הרבה יותר מהר מאשר מחשב רגיל כאשר הסוגיה היא מציאת פיתרון מיטבי.

תקשורת מאובטחת
בקנה-מידה קטן יותר, העקרונות מאחורי מחשבי הקוואנטום מסייעים לתקשורת מאובטחת. ב- Cryptography Networks” ,Jonathan L.Habif, מדען בכיר ב-Quantum Information Processing Technologies של Raytheon, BBN Technologies, מסביר קריפטוגרפיה קוואנטית, המוכרת גם כ-quantum key distribution) QKD).
QKD משתמשת בחלקיק קוואנטי יחיד כתווך פיזיקלי עליו מקודדים ביט יחיד של חומר חיוני. האופי המכני הקוואנטי של חלקיקים אלה מציג שני מאפיינים קוואנטיים ייחודיים העושים את מידע הקידוד לרובוסטי כנגד קליטה על-ידי מצותתים.
1. חלקיקי קוואנטום הם יחידות אנרגיה שלא ניתנות לחלוקה, כך שלא ניתן לחלקם על-ידי מצותת לשם ניטור פסיבי.
2. חלקיקי קוואנטום נשמעים לעקרון אי-הוודאות של Heisenberg, כך שמדידה של חלקיק קוואנטי על-ידי מצותת משנה את מצב החלקיק, ויוצר השפעה שניתן לגלות על-ידי שני המתקשרים.
כדי להתחיל את המו”מ עבור מפתח סודי, השולח מכין פוטון אחד להעברה למקלט על-ידי יצירת פולס לייזר בהיר וניחות הפולס לעצמה הרבה יותר נמוכה מאשר פוטון אחד לפולס, ומבטיח בכך שרק לעתים רחוקות פולס נתונים יוצא מהמשדר בעל שני פוטונים שהיו מספקים למצותת מידע עודף. שנית, המשדר מקודד אקראית שני ביטים של מידע על הפוטון מערכה המכונה ?S, והפוטון המקודד מופנה אל תוך ערוץ השידור. את המידע ניתן לקודד בכל כמות מדידה של פוטונים כגון קיטוב השדה החשמלי או הפאזה האופטית.
ערוץ השידור יכול להיות כל תווך שקוף, בין אם זה החלל-החופשי או סיבים אופטיים. עבור תקשורת ארוכת-טווח, בעלת קצב נתונים גבוה, סיב אופטי הוא הבחירה המועדפת. בשעה שהפוטונים נכנסים למקלט מהערוץ, המקלט בוחר אקראית בסיס למדידה, מתוך אחד משתי הבחירות ?R, בהם יימדד הפוטון, ומבצע לאחר מכן מניית פוטונים בעזרת שני מגלי פוטונים בודדים (SPDs).
השולח והמקבל מבצעים כל פעם את הפרוטוקול הזה ומנטרים את קצב השגיאה של תזרימי הביטים הנוצרים. מאחר שכל תשאול של הפוטון בערוץ על-ידי מצותת משנה את מצב ביט הקוואנטום, נוכחות מצותת ניתנת לחשיפה כעלייה בקצב השגיאה של התקשורות, כפי שנמדדו על-ידי שגרות גילוי השגיאה עבור הפרוטוקול תוך שימוש בערוץ תקשורת קלאסי לא מאובטח.
QKD שימשה על-ידי רשתות אחדות בארה”ב ומחוצה לה ככלי לאבטחת תקשורות קריטיות. אולם, יש עוד הרבה דרכים לשפר אותה, כגון הרחבת הטווח שלה והתאימות עם רשתות מותקנות שאינן שקופות אופטית בין משתמש למשתמש. בשעה שמבצעים יותר מחקר במחשוב קוואנטי וקריפטוגרפיה קוואנטית, QKD צפוי להפוך לבולט יותר.
מחשבים קוואנטיים מאפשרים גם את הפיצוח של רבים מסוגי ההצפנה השכיחים ביותר כיום. דבר זה תלוי באיזו מידה המכונות הללו הן יעילות במציאת גורמים ראשוניים. סוגי הצפנה דוגמת RSA מסתמכים על עד כמה למחשב רגיל קשה למצוא את הגורמים הראשוניים של מספרים מאוד גדולים. דבר זה הופך את המחשבים הקוואנטיים לא רק לרצויים לשם אבטחת התקשורת שלה עצמה, אלא גם לשם פיצוח רוב הסוגים הלא-קוואנטיים של ההצפנה.
אחד היתרונות החשובים של מחשבי קוואנטום הוא היכולת “ללמד” מכונות אחרות. ענק חיפוש האינטרנט Google רכש מחשב קוואנטום D-Wave Two 512-qubit מ-D-Wave Systems בדיוק למטרה זו. “אנחנו מאמינים שמחשוב קוואנטי עשוי לסייע לפתור אחדות מהבעיות המאתגרות ביותר של מדע המחשוב, במיוחד בלימוד מכונה”, אומר Hartmut Neven, מנהל ההנדסה ב-Google.
“לימוד על-ידי מכונה דן בבניית מודלים טובים יותר של העולם כדי לבצע תחזיות מדויקות יותר”, אומר Neven. “אם רוצים לרפא מחלות, אנחנו זקוקים למודלים טובים יותר על כיצד הן מתפתחות. אם אנחנו רוצים ליצור מדיניות סביבתית יותר יעילה, אנחנו זקוקים למודלים טובים יותר על מה שקורה באקלים שלנו”.
לגבי תעשיית הביטחון, לימוד בעזרת מכונה פירושו הרבה דברים. “לימוד על-ידי מכונה יכול לסייע ליישומים רבים, אחד הוא לגרום למערכות להכיר הרבה יותר מהר מה טמון בתוך תמונה, האם זהו אדם, רכב, משאית או טנק, ולאחר מכן לערוך גילוי סתירות בתמונה זו”, אומר Ewald מ-D-Wave Systems.
מערכת שיכולה להבחין במהירות ובקלות בין סוגי רכב שונים, והאם יש משהו מוזר אודות רכב זה, תהיה מאוד שימושית עבור הביטחון בכל בעולם.

שיטות של מחשוב קוואנטי
מחשבים קוואנטיים מתוכננים בדרכים שונות. ה-D-Wave Two הוא מחשב קוואנטי אדיאבטי. “המערכת נעה למצב אנרגיה נמוכה יותר, ובמהלך פרק זמן של 5 או 100 איטרציות, תקבל בחזרה מהו המצב בעל האנרגיה הנמוכה ביותר עבור מה שאתה מתכנן”, מסביר Ewald. “אם לקחת משטח 3D ומיפית אותו לתוך המערכת שלנו, המערכת שלנו תמצא את הנקודה הנמוכה ביותר במשטח זה מהר מאוד. את תהליך החסימה הזה ניתן להריץ יותר ויותר כדי להבטיח שמצאת את כל הפתרונות, או כדי לוודא שיש לך את המינימום המוחלט”.
סוגים אחרים של מחשבי קוואנטום הם בגדר התיאוריה בלבד, או קיימים עם מספר קטן ביותר של קיוביטים. אחת הדוגמאות היא מחשב קוואנטום טופולוגי המשתמש בחלקיקים מסוג אניונים, סוג חלקיקים המופיע רק במערכות דו-ממדיות החוצות זו את זו כדי ליצור שערים לוגיים. התוצאה, בתיאוריה, היא מחשב קוואנטום הפחות חשוף ל-decoherence.
שיטות אחרות כגון מעגלים קוואנטיים ומחשבים קוואנטיים חד-דרכיים נמצאים בשלבים דומים שהוכחו כאפשריים פיזיקלית על-ידי ניסויים, אך אין להם מודלים פועלים בקנה-מידה גדול, כמו שיש למחשבים קוואנטיים אדייבטיים.

אתגרי הקוואנטום
אחד הקשיים העומדים בפני מדעני המחשוב הקוואנטי הוא הקושי לתכנת מאחר שמחשבים אלה אינם משתמשים באותו סוג של שפות-מכונה כמו המחשבים הרגילים. “מכונות אלה דורשות יתר מאמץ לתכנת אותן מאשר מחשב רגיל, אך כאשר אתה ממפה יישום עליהם זה דבר הרבה יותר מהיר”, אומר Ewald מ-D-Wave Systems.
בנוסף לקושי לתכנת מחשבי קוואנטום, הם דורשים תנאים מאוד מיוחדים כדי לפעול. יש לשמור על התוכן הפנימי של מחשב קוואנטום בטמפרטורה כמעט של אפס מוחלט, הטמפרטורה בה האנטרופיה מגיעה לערך המזערי שלה – כדי למנוע decoherence.
הצורך בקירור כזה גורם למחשבי קוואנטום לצרוך כמות ענקית של הספק, ודורש אושיה מיוחדת. כמובן, מאחר שמחשבי קוואנטום אינם מיועדים לשימוש עם מימושים פשוטים, דרישות ההספק הגבוה שלהם ותנאי העבודה המחמירים אינם סיבה לדאגה מופרזת במצבים בהם הם תקפים.
בגלל המגבלות שיש למחשבי קוואנטום, לא סביר שהם יהפכו כה נפוצים עד כדי שהם ינטשו מרכזי נתונים ותנאי מעבדה. בשעה שמחשבי קוואנטום הם בעלי כוח עיבוד ויכולות לפתור בעיות שיכולים לגמד מחשבים רגילים, הם לעולם לא יחליפו אותם. “הצפי שלי הוא שהמערכות שלנו ישמשו בשילוב עם מחשבים איכותיים קיימים או מערכות ניתוח נתונים גדולות”, אומר Ewald.

העתיד של מחשוב קוואנטי
העתיד של טכנולוגיה מתפתחת זו הוא מזהיר, אומר Ewald. “אנחנו בדיוק בתחילת מהפיכת המחשוב הקוואנטי. אין זו שאלה שהחומרה עתידה להתקדם בקצב מהיר. ה-D-Wave (מחשב קוואנטום) עתיד להיות מסוגל להכפיל את מספר הקיוביטים בערך כל שנה. יש הרבה אנשים חכמים בעולם, וגם בחברה שלנו, שיכולים למצוא מהי הארכיטקטורה המיטבית”.
המחשוב הקוואנטי נמצא אולי עדיין בחיתוליו, אולם כעת כאשר קיימים מחשבי קוואנטום פעילים בשוק הם מהווים מרכיב חשוב ביותר של הטכנולוגיה.

הכתבה נמסרה באדיבות חברת יורוביז