IBM וחברת הסטארטאפ הישראלית Qedma, יחד עם אוניברסיטת שיקגו ו-Algorithmiq, הכריזו על פריצת דרך במחשוב קוונטי: שלוש הדגמות נפרדות של "עליונות קוונטית" (Quantum Advantage), שבמסגרתן בוצעו חישובים שמחשבים קלאסיים אינם מסוגלים לבצע – ולראשונה גם ניתן היה לאמת את נכונות התוצאות.
ההישג עשוי לסמן נקודת מפנה בתחום המחשוב הקוונטי, שכן אחת הבעיות המרכזיות שעיכבו עד כה את המעבר מיכולת תאורטית ליישומים מעשיים הייתה הקושי להוכיח שהתוצאות שמפיק מחשב קוונטי אכן נכונות. עד היום, כאשר מחשב קוונטי פתר בעיה שמחשב רגיל כבר לא היה מסוגל לבדוק, לא הייתה דרך אמינה לאמת את התוצאה.
אחד משלושת המחקרים, שנערך בשיתוף IBM ו-Qedma הישראלית, הדגים כיצד ניתן לבצע חישוב מדעי מורכב בתחום פיזיקת החומרים, החורג מיכולותיהן של שיטות הסימולציה הקלאסיות המתקדמות ביותר. החוקרים שילבו את תוכנת QESEM שפיתחה Qedma להפחתת שגיאות עם מחשב קוונטי של IBM המבוסס על מעבד IBM Quantum Heron, והצליחו לחקור דינמיקה קוונטית במערכות של עד 74 קיוביטים.
המחקר עסק בהתפתחות התכונות המגנטיות של חומרים המופעלים באמצעות פולסים חיצוניים – בעיה בסיסית בפיזיקה של חומרים, שהמורכבות החישובית שלה גדלה במהירות ככל שמגדילים את גודל המערכת. כאשר החוקרים השוו את התוצאות לשיטות הסימולציה הקלאסיות המובילות, כולל הרצות על Fugaku – ממחשבי-העל החזקים בעולם – התברר כי מעבר לגודל מסוים השיטות הקלאסיות כבר לא הצליחו לספק תוצאות עקביות. לעומת זאת, המחשב הקוונטי המשיך להפיק תוצאות יציבות ומהימנות.
לדברי החוקרים, יתרונו של המחשב הקוונטי לא התבטא רק במהירות החישוב, אלא גם ביכולת להגיע לרמת דיוק ששיטות החישוב הקלאסיות שנבחנו לא הצליחו להשיג.
אחת מנקודות המפתח במחקר הייתה הפחתת השגיאות הקוונטיות – אחד האתגרים המרכזיים של התחום. מחשבים קוונטיים רגישים מאוד לרעש ולהפרעות סביבתיות, עד כדי כך שחוקרי Qedma מדמים את פעולתם לניסיון להאזין לנגינת כינור עדינה לצד מנוע סילון הפועל במלוא העוצמה. גם כאשר החישוב מתבצע נכון, רעש קוונטי עלול להסתיר את התוצאה. תוכנת QESEM שפיתחה החברה מפחיתה את השפעת הרעש ומאפשרת להפיק מהמחשבים הקוונטיים הקיימים תוצאות מדויקות ואמינות יותר, ללא שינוי בחומרה.
החוקרים בנו תהליך אימות הדרגתי, שבו נבדקו תחילה חישובים קטנים שניתן היה להשוותם לשיטות קלאסיות, ובהמשך הורחב האימות גם לחישובים גדולים בהרבה. בנוסף, אותו ניסוי בוצע באופן בלתי תלוי גם על מחשבים קוונטיים של Quantinuum, המבוססים על טכנולוגיית יונים לכודים – שונה לחלוטין מזו של IBM, המבוססת על מוליכי-על. למרות ההבדלים בין שתי הפלטפורמות, התקבלו תוצאות זהות, נתון המחזק משמעותית את האמון בממצאים.
במקביל הציגו IBM ואוניברסיטת שיקגו שיטה חדשה לאימות חישובים קוונטיים מורכבים באמצעות מעגלים לוגיים המאפשרים לזהות שגיאות במהלך החישוב עצמו, בעוד שיתוף הפעולה עם Algorithmiq הדגים סימולציה של מערכות קוונטיות מורכבות, שבה שולב מנגנון האימות בתוך החישוב הקוונטי עצמו. שלושת המחקרים יחד מצביעים על כך שמחשבים קוונטיים יכולים לא רק לבצע חישובים שמעבר להישג ידם של מחשבים קלאסיים, אלא גם לספק ביטחון באמינות התוצאות.
"הדגמנו חישובים קוונטיים שמעבר ליכולותיהן המעשיות של שיטות החישוב הקלאסיות, ובמקביל ביססנו רמת ביטחון גבוהה בדיוק התוצאות", אמר ד"ר ג'יי גמבטה, מנהל IBM Research ו-IBM Fellow. "אבן הדרך הזו מעניקה למדענים, למפתחים ולעסקים בסיס חדש לאמון במחשבים קוונטיים, גם כאשר הם פותרים בעיות שאינן ניתנות עוד לאימות באמצעים קלאסיים."
ד"ר אסיף סיני, מנכ"ל ומייסד-שותף של Qedma, הוסיף: "במשך עשרות שנים המחשוב הקוונטי הבטיח לאפשר גילויים שמעבר להישג ידם של מחשבים קלאסיים. כעת אנחנו מתחילים לראות את ההבטחה הזו מתממשת. באמצעות התוכנה שלנו אנחנו משפרים משמעותית את העוצמה והאמינות של המחשבים הקוונטיים הקיימים ומקרבים את התחום ליישומים מדעיים ומסחריים."
Qedma נוסדה בשנת 2020 על ידי ד"ר אסיף סיני, פרופ' דורית אהרונוב מהאוניברסיטה העברית ופרופ' נתנאל לינדנר מהטכניון. החברה מפתחת תוכנה להפחתת שגיאות במחשוב קוונטי, שאינה תלויה בפלטפורמת חומרה מסוימת, ומאפשרת להפיק ביצועים טובים יותר ממחשבים קוונטיים קיימים.
אם הטכנולוגיה תמשיך להבשיל בקצב הנוכחי, היא עשויה להאיץ מחקר ופיתוח בתחומים כמו גילוי תרופות, פיתוח חומרים חדשים, מוליכי-על, סוללות מתקדמות, התקנים אופטואלקטרוניים ויישומים נוספים שבהם יכולות החישוב של מחשבים קלאסיים מגיעות כיום לגבולן.
קרדיט: IBM Research ו-Qedma Quantum Computing.
צילום: Qedma founders. photo Eyal Toueg אייל טואג.
