הפודקאסט
מחשבים קוונטיים רגישים מאוד לרעש ולשגיאות. העבודה איתם דומה לנגינת כינור עדינה ליד מנוע סילון הפועל במלוא העוצמה. הטכנולוגיה הישראלית מפחיתה את השפעת הרעש הקוונטי ומאפשרת לחלץ מהם תשובות מדויקות ומהימנות הרבה יותר.
בפעם הראשונה בעולם, מחשב קוונטי של IBM, המצויד בתוכנה שפיתחה חברת QEDMA הישראלית, ביצע חישוב מדויק ומהימן של תופעה פיזיקלית חשובה, בתחום שבו שיטות הסימולציה הקלאסיות המתקדמות ביותר כבר לא הצליחו לספק תוצאות עקביות. ההישג מהווה פריצת דרך משום שהוא מדגים לראשונה שניתן להשתמש במחשבים קוונטיים, בשילוב תוכנה להפחתת שגיאות, כדי לבצע חישובים מדעיים מעבר ליכולותיהן של שיטות החישוב הקלאסיות המובילות. היתרון לא התבטא רק במהירות – גבוהה פי 100,000 – אלא גם ביכולת להגיע לרמת דיוק ששיטות החישוב הקלאסיות לא הצליחו להשיג.
בנוסף, לראשונה בעולם, אותו חישוב בוצע באופן בלתי תלוי על שני מחשבים קוונטיים המבוססים על טכנולוגיות שונות לחלוטין והניב תוצאות זהות. עובדה זו מחזקת באופן משמעותי את האמון בכך שהתוצאות משקפות את הפיזיקה האמיתית של המערכת שנחקרה.
בשנים האחרונות מושקעים עשרות מיליארדי דולרים בפיתוח מחשוב קוונטי, במקביל למהפכת הבינה המלאכותית. ההבטחה היא שמחשבים קוונטיים יספקו בעתיד כוח חישוב עצום, שיאפשר לפתור בעיות שמחשבים רגילים אינם מסוגלים להתמודד איתן. חברות רבות בתחום המחשוב הקוונטי כבר הונפקו בנאסד"ק והגיעו לשווי של עשרות מיליארדי דולרים, למרות שלרבות מהן עדיין אין הכנסות משמעותיות. הסיבה לכך היא הפוטנציאל העצום של הטכנולוגיה והאמונה שהיא צפויה לחולל מהפכה במדע, בתעשייה ובכלכלה. אולם במשך שנים ההבטחה הזו נשארה בעיקר על הנייר. הסיבה לכך היא שמחשבים קוונטיים רגישים מאוד לרעש ולשגיאות. אפשר לדמות זאת לניסיון להאזין לנגינת כינור עדינה ליד מנוע סילון הפועל במלוא העוצמה. גם אם הכינור מנגן בצורה מושלמת, כמעט בלתי אפשרי לשמוע אותו.
כאן נכנסת לתמונה תוכנת QESEM (קסם) של QEDMA. התוכנה מפחיתה את השפעת הרעש הקוונטי ומאפשרת לחלץ מהמחשבים הקוונטיים של היום תוצאות מדויקות ומהימנות הרבה יותר, מבלי לשנות את החומרה עצמה.
במחקר הנוכחי שילבו צוותי IBM ו-QEDMA את התוכנה הישראלית עם אחד המחשבים הקוונטיים המתקדמים בעולם, וביצעו חישוב שלא ניתן היה לבצע באופן מהימן באמצעות שיטות הסימולציה הקלאסיות שנבדקו.
החוקרים בחנו כיצד משתנות התכונות המגנטיות של חומר כאשר המערכת מופעלת שוב ושוב באמצעות פולסים חיצוניים. זוהי שאלה בסיסית בפיזיקה של חומרים, אך ככל שמגדילים את גודל המערכת ואת משך החישוב, המורכבות החישובית גדלה במהירות. בשלב מסוים גם שיטות הסימולציה הקלאסיות המתקדמות ביותר כבר אינן מצליחות להגיע לתוצאה עקבית.
כדי לבחון את גבולות היכולת של המחשוב הקלאסי שיתפו החוקרים פעולה עם RIKEN, מכון המחקר הלאומי המוביל של יפן, ועם חברת BlueQubit, המתמחה בסימולציה של מעגלים קוונטיים בקנה מידה גדול.
התוצאות הושוו לכמה משיטות הסימולציה הקלאסיות המתקדמות ביותר, שרצו גם על Fugaku, אחד ממחשבי־העל החזקים בעולם. כאשר המערכות היו קטנות יחסית, התקבלה התאמה בין התוצאות של המחשב הקוונטי לבין החישובים הקלאסיים. אולם ככל שהמערכת גדלה והחישובים התארכו, השיטות הקלאסיות הפסיקו להגיע לתוצאות עקביות. לעומת זאת, לאחר הפחתת השגיאות באמצעות QESEM, המחשב הקוונטי המשיך להפיק תוצאות עקביות גם בתחום שבו השיטות הקלאסיות כבר לא הצליחו לספק תשובה מהימנה.
החוקרים בנו תהליך אימות הדרגתי. תחילה הם הפעילו שיטת הפחתת שגיאות שאפשרה להשוות את התוצאות לחישובים קלאסיים כל עוד השוואה כזו הייתה אפשרית. לאחר מכן השתמשו בתוצאות המאומתות כדי לאמת שיטה נוספת, שניתן להפעיל גם על חישובים גדולים יותר. רק לאחר שכל שלבי האימות הושלמו, עברו למערכות הגדולות ביותר. בנוסף, כל הניסוי בוצע גם על מחשבים קוונטיים של חברת קואנטיניום, המבוססים על טכנולוגיית יונים לכודים.
זוהי טכנולוגיה שונה לחלוטין מזו של IBM, המבוססת על מוליכי־על. למרות ההבדלים בין שתי הפלטפורמות, שתיהן הניבו תוצאות זהות. העובדה ששתי טכנולוגיות שונות לחלוטין הגיעו לאותה תשובה מחזקת את האמינות של התוצאות ומספקת ראיה נוספת לכך שהן משקפות את התופעה הפיזיקלית שנחקרה, ולא תקלה במחשב מסוים או בשיטת הפחתת השגיאות.
גם מחשב IBM וגם תוכנת QESEM זמינים כיום באופן מסחרי דרך הענן. בניגוד לניסויים שהתבססו בעבר על מערכות ייחודיות שנבנו במיוחד במעבדה, המחקר מראה שכבר היום ניתן להשתמש בטכנולוגיה מסחרית כדי לחקור בעיות הנמצאות מעבר ליכולותיהן של שיטות חישוב קלאסיות מסוימות. המשמעות היא שאין צורך להמתין לדור הבא של מחשבים קוונטיים חסיני שגיאות כדי להתחיל להפיק ערך מדעי מהמחשוב הקוונטי. היכולת לחקור מערכות קוונטיות מורכבות גם כאשר כבר אי אפשר לאמת כל תוצאה באמצעות סימולציה קלאסית מלאה עשויה להרחיב משמעותית את השימוש במחשבים קוונטיים ככלי למחקר מדעי. בעתיד, גישות דומות עשויות לתרום לפיתוח חומרים חדשים, מוליכי־על, התקנים אופטואלקטרוניים מתקדמים ויישומים נוספים בתחומי המדע והטכנולוגיה.
ד״ר ג׳יי גמבטה, מנהל IBM Research ו-IBM Fellow: ״המחשבים הקוונטיים של IBM הגיעו לרמת בשלות שמאפשרת להם לייצר תוצאות שעוברות בדיקות מקיפות ובמקביל עולות על שיטות הסימולציה הקלאסיות הטובות ביותר. אני מצפה לראות בעתיד תוצאות נוספות נבחנות באמצעות Quantum Advantage Tracker, ככל שנעמיק את ההבנה של הגבול בין מחשוב קוונטי לקלאסי. השילוב בין המחשבים הקוונטיים של IBM לבין הטכנולוגיה המתקדמת של קדמה להפחתת שגיאות הופך את המחשוב הקוונטי לכלי מעשי להרחבת גבולות הידע״.
ד״ר אסיף סיני, מנכ״ל ומייסד-שותף של קדמה: ״במשך עשרות שנים המחשוב הקוונטי הבטיח לאפשר גילויים שנמצאים מעבר להישג ידם של מחשבים קלאסיים. כעת אנחנו מתחילים לראות את ההבטחה הזו מתממשת. באמצעות התוכנה אנחנו משפרים באופן משמעותי את העוצמה והאמינות של המחשבים הקוונטיים הקיימים ומקרבים את התחום להשפעה מעשית ומסחרית״.
ד״ר מיצוהיסה סאטו, מנהל חטיבת הפלטפורמה המשולבת למחשוב קוונטי ולמחשוב עתיר ביצועים במרכז למדעי המחשוב של RIKEN: ״מחשבים קוונטיים מתחילים לפתוח אפשרויות חדשות לגילוי מדעי כחלק מסביבת מחשוב עתיר ביצועים. המחקר שילב את היכולות של RIKEN בסימולציה קלאסית מתקדמת ובמחשוב־על עם תוכנת הפחתת השגיאות של קדמה על גבי מחשבים קוונטיים של IBM, והדגים את יכולתו של המחשוב הקוונטי לעבור את גבולותיהן של שיטות קלאסיות מובילות. זהו צעד חשוב לעבר עתיד שבו מחשוב קוונטי וקלאסי ישתלבו כדי לקדם את המדע״.
קדמה הוקמה בשנת 2020 על ידי ד״ר אסיף סיני, פרופ׳ דורית אהרונוב מהאוניברסיטה העברית ופרופ׳ נתנאל לינדנר מהטכניון. החברה מפתחת תוכנה שאינה תלויה בפלטפורמת חומרה מסוימת ומפחיתה את השפעתן של שגיאות בחישובים קוונטיים. אהרונוב הוכיחה כבר לפני כ-30 שנה כי אפשר לבצע חישוב קוונטי גם כאשר המערכת סובלת משגיאות והניחה את היסודות לתחום תיקון השגיאות הקוונטי. לינדנר הוא פיזיקאי תאורטי בעל שם עולמי המתמחה בהתנהגות של מערכות קוונטיות מורכבות.
