חברת IBM הכריזה על מפת הדרכים שלה בתחום המחשוב הקוואנטי לשנים הבאות והצהירה על כוונתה לבנות מערכת מחשוב קוואנטית בקנה מידה גדול. בחברה צופים שמערכת כזו תוכל להתמודד עם כמה מהאתגרים המדעיים הגדולים ביותר בזמננו – כגון סימולציה של התנהגות אטומים לצורך תיכנון ויצירה של חומרים חדשניים – ולהמשיך בחתירה להבנת היקום מעבר למה שניתן להשיג באמצעות מחשבים קלאסיים.
מחשב קוואנטי מיישם את עקרונות המכניקה הקוואנטית על מחשבים. אם יחידות המידע הבסיסיות של מחשב “רגיל” הן 1 ו-0 (המכונים ביטים), במחשב קוואנטי יחידות המידע מורכבות יותר ומבוססות על עיקרון ה”סופר-פוזיציה” של תורת הקוואנטים, ולפיה חלקיקים תת-אטומיים יכולים להתקיים ביותר ממצב אחד בכל רגע נתון. לכן, יחידת המידע הבסיסית של מחשב קוואנטי אינה בינארית ויכולה להכיל גם מצב של 0 וגם מצב של 1 – בו זמנית.
יחידת המידע הזו נקראת קיוביטqubit, קיצור של quantum bit. בנוסף, המחשבים הקוונטיים משתמשים בתכונה הקרויה “שזירה” (entanglement) שייחודית לתורת הקוונטים ומשמעותה היא שמצבים קוונטיים שונים יכולים להשפיע זה על זה מרחוק, באותו זמן, בלי שיש ביניהם קשר ישיר. זהו יתרונו הייחודי של מחשוב קוואנטי. מאחר שהוא יכול לבצע פעולות במקביל – ולא פעולה אחת אחרי האחרת כמו במחשב “קלאסי”, בעיה שלמחשב רגיל היה לוקח יותר זמן לפתור מאשר שנות קיומו של היקום, מחשב קוואנטי יכול לפתור בתוך שעות – כוח חישוב דמיוני בהשוואה למחשבים המוכרים לנו.
בשנים האחרונות עולם המחשוב הקוואנטום צובר תאוצה והתחרות בתחום, בין ענקיות המחשוב העולמיות, זוכה לסיקור נרחב. אבל קיוביטים נשחקים במהירות בגלל אינטראקציה עם גורמים נוספים. האתגר הגדול ביותר העומד כרגע בפני החוקרים הוא היכולת לשלוט במערכות גדולות של קיוביטים למשך פרקי זמן ארוכים מספיק ועם שגיאות מועטות ככל הניתן, ולהריץ את המעגלים הקוונטיים המורכבים. פיתוח של מחשב קוואנטי יציב יאפשר קפיצת מדרגה ביכולות חישוב מורכבות שמחשבים מודרניים לא מסוגלים לבצע ואפילו מחשבי-על מתקשים לעמוד בהן.
כיום קיימים מחשבים קוואנטיים קטנים יחסית, עם יכולת חישובית הסובלת משיבושי רעש והפרעות. חוקרי IBM הציבו כמטרה לפתח מעבדים קוואנטיים חדשניים הניתנים להרחבה עד להיקף של יותר מ-1,000 קיוביט עד סוף שנת 2023. מערכת כזו תהיה אבן דרך משמעותית שתוכל להפגין באופן מובהק את היתרונות של מחשוב קוואנטי על פני מחשוב קלאסי ואפילו מחשבי העל החזקים והיעילים בעולם. במקביל, ממשיכה IBM להנגיש את המערכות שלה באמצעות הענן כדי שכל מדען בעולם יוכל לתכנת אותם ולרתום לעזרתו את יתרונותיהם הייחודיים.
IBM חוקרת את תחום מוליכי-העל הקוואנטיים כבר מאמצע שנות האלפיים והצליחה להגדיל את היציבות והפחתת השגיאות של המעבדים הקוונטיים ולפתח מערכות מרובות קיוביט. מחשב קוונטי ראשון הונגש לציבור החוקרים והמפתחים באמצעות הענן של IBM כבר ב-2016.
כיום מפעילה החברה עשרות מערכות קוואנטיות יציבות בענן של IBM עבור לקוחות, חוקרים ומתעניינים. אפילו הציבור הרחב יכול לתכנת ולהריץ יישומים על גבי המערכות הללו באמצעות הענן. בין היתר פועלות בענן מערכות הכוללות את המעבד הקוואנטי IBM Quantum Canary עם חמישה קיוביט ומעבדי IBM Quantum Falcon עם 127 קיוביט. אגב – על מערכת כזו, בעזרת שיפורי חומרה ותוכנה ייחודיים, הצליחו לפני חודשים אחדים חוקרי IBM להגיע למדד נפח קוונטי של 64. נפח קוואנטי הוא מדד שפיתחה IBM המשקף את יכולת המכונה הנבחנת להשלים את ביצוע המשימה המתמטית במהימנות הגבוהה ביותר ותוך איבוד מינימלי של נתונים בגלל רעש חיצוני.
המעבדים הבאים בתור הםIBM Quantum Hummingbird עם 65 קיוביט שזמינים כיום עבור לקוחות החברה השותפות ב- IBM Q- רשת של מוסדות אקדמיים, חברות מסחריות ומעבדות המבצעות מחקר בעזרת מחשוב קוואנטי. בשנה הבאה תציג IBM את מעבד IBM Quantum Eagle עם 127 קיוביט ומספר שדרוגים שיציינו את אבן הדרך המשמעותית של מערכת יציבה בעלת יותר מ-100 קיוביט.
עקרונות התכנון שנקבעו עבור המעבדים הקטנים יותר יאפשרו לחברה לשחרור מערכת בשם IBM Quantum Osprey עם 433 קיוביט בשנת 2022. מערכת כזו תתבסס גם על שיפורים בתשתית הקירור הדרושה כדי לתמוך בה ותבטיח שהגדלת כמות המעבדים לא מקריבה את ביצועי המערכת.
בשנת 2023 תציג IBM לראשונה את מעבד IBM Quantum Condor עם 1,121 קיוביט שיתבסס על הלקחים שיילמדו מכל ההתקנים שקדמו לו והניסיון המתמיד להמשיך את הפחתת השגיאות ושמירה על יציבות המעגלים הקוואנטיים למשכי זמן ארוכים יותר. המומחים מעריכים שמחשב בעל אלף קיוביטים יהיה חזק יותר מכל מחשבי-העל הקיימים כיום בעולם, גם יחד.
IBM בנתה עד היום כ-22 מחשבים קוונטיים, רובם בארה”ב, אחד בגרמניה ואחד ביפן. חלק מהמחשבים פתוחים לכל אדם באמצעות חיבור מרחוק, להתנסות בחישובים קוונטיים באמצעות IBM Quantum Experience. ברשת זו רשומים כבר יותר מ-250 אלף משתמשים, ועד כה בוצעו באמצעותה יותר מ-300 מיליארד פעולות חישוביות קוונטיות. במקביל מפעילה IBM גם רשת של כ-120 שותפים עסקיים – מכוני מחקר וחברות ענק, חברות סטרטאפ ומוסדות אקדמיים, שמחוברת ברשת הנקראת Q Network, שמגששים אחר הדרכים בהן יוכלו לרתום את הקוואנטום לצרכיהם.
מחשב קוואנטי משמש כבר כיום למגוון יישומים. למחקר ופיתוח של כימיקלים וחומרים נוספים באמצעות סימולציות, כמו למשל פיתוח חומרים לסוללות מסוג חדש או חומרים לתעשייה בעלי תכונות ייחודיות. כך למשל חברת דיימלר AG, בוחנת את הפוטנציאל של מחשוב קוונטי לפתח סוללות יעילות יותר, ו-ExxonMobil מתכוונת למדל תגובות תרמיות לשימוש במחקר ופיתוח פטרוכימי. מחקר החומרים בעזרת מחשוב קוואנטי יכול לסייע גם בפיתוח תרופות חדשות, או חיסונים – למשל סיוע במידול המולקולות למציאת החיסון לנגיף הקורונה.
חישוב קוואנטי יכול לסייע גם לאמן מודלים של בינה מלאכותית כמו זיהוי דפוסים וגילוי הונאות, ולסייע באופטימיזציה של מערכות ופיננסים או מערכות תחבורה ושילוח. כך למשל, ג’יי.פי מורגן צ’ייס שמשתמשים במחשבים קוונטיים ליצירת מתודולוגיה לתמחור של חוזים נגזרות פיננסיות ותיקי אופציות. כמו כן המחשוב הקוואנטי מסייע בפתרון בעיות מורכבות של חיזוי מזג אוויר, מודלים של ניצול אנרגיה והצפנה שאף מחשב “קלאסי” לא יוכל לפצח. צוות החוקרים של IBM מאמינים שמודל היברידי של מינוף מחשוב קלאסי וקוונטי אלו הם הצעדים הבאים בתחום.
קרדיט תמונות: באדיבות IBM Research
