עדיין אין מחשב קוונטי שמיש, אבל המרוץ לתוכנה הקוונטית כבר בעיצומו

מחשוב קוונטי הוא תחום צומח עם מאות חברות, ממשלות, אוניברסיטאות ומכוני מחקר שמשקיעים הון רב בפיתוחים במעין מירוץ לעליונות בתחום. מי שיגיע ראשון לקו הסיום, ויצליח לבנות מחשב קוונטי מתפקד בסדר גודל סביר, יוכל להשתמש בו לפיתוח תרופות, לתמחור אופציות, לבניית אלגוריתמים לומדים, ליצירת בטריות יעילות ולשבירת הצפנה בשיטות המקובלות כיום.

אלא שהתפיסה הרווחת כיום היא שאין כלל ודאות מתי ניתן יהיה ליצור מחשב קוונטי שמיש והאם זה בכלל יתאפשר אי פעם. עד כה, מחשבים כאלה קיימים רק בסדרי גודל קטנים יחסית ואינם חזקים או מדוייקים מספיק ליישומים מעשיים.

למרות זאת, ההשקעה בתחום הולכת ועולה בשנים האחרונות, הן מתוך תקווה שהאנושות תצליח לפתח מחשבים כאלה, והן מתוך פחד של ממשלות וחברות להישאר מאחור אם הדבר אכן יתרחש. סין וארה"ב הכריזו שתיהן על תוכניות בתחום עם תקציבים של מיליארדים רבים, וגם מדינת ישראל הקצתה לנושא יותר ממיליארד דולר בהחלטת ממשלה מהשנה שעברה. גוגל, אמזון, מיקרוסופט ו-IBM כבר מאפשרות לגשת למחשבים הקוונטיים (הקטנים) שלהן דרך הענן תמורת כמה מאות דולרים לשעה, ותאגידי תרופות ובריאות, פיננסים ורכב כבר מתחילים לחקור ולפתח לעצמם תוכנה לשימושים עתידיים.

שתי חברות מישראל

לפי דוח חדש של Tracxn, חברה שאוספת נתונים על סטארט-אפים, המיועדים לשימוש של קרנות הון סיכון, מאז 2013 ועד היום הושקעו בתחום 1.4 מיליארד דולר, מתוכם 420 מיליון דולר הושקעו בשנה שעברה. לפי הדוח שפורסם בחודש יולי האחרון, ההשקעה בתחום נמצאת בצמיחה מהירה, עם קפיצה של יותר מ -100% משנה לשנה בכל שנה מאז 2016.

השנה, למרות משבר הקורונה, ההשקעות הגלובליות בסטארט-אפים בתחום במחצית הראשונה עומדות כבר על 360 מיליון דולר. מגמת הצמיחה מורגשת גם במספר הסטארט-אפים בעולמות הקוונטים. בישראל, לפי הדוח, ההשקעות בתחום הגיעו ל-23 מיליון דולר בסך הכל. כיום, פועלים כאן סטארט-אפים בודדים בתחום, אך מדובר בעלייה מסטארט-אפ אחד בלבד, Quantum Machines, שפעל ב-2018.

בעוד החברות הגדולות הפועלות בתחום מתמקדות בעיקר בפיתוח המחשב הקוונטי עצמו , סטארט-אפים רבים פונים לפתח תוכנה ופלטפורמות תומכות, שנועדו לאפשר שימוש יעיל ונוח במחשב קוונטי, אם וכאשר יתקיים. כך פועל גם הסטארט-אפ הישראלי החדש קלאסיק (Classiq), שמבקש לפשט את פעולת בניית התוכנה ופתרון בעיות מורכבות באמצעות מחשבים קוונטיים.

 מעבדת המחקר של IBM בציריך / צילום: באדיבות IBM Research

קלאסיק הוקם השנה, עם גיוס סיד של 4 מיליון דולר מקרן אנטרה קפיטל, המתמחה בהשקעה בחברות טכנולוגיה עמוקה, ועם צוות מייסדים מבטיח: סמנכ"ל הטכנולוגיות בחברה הוא ד"ר יהודה נוה, מרצה בטכניון, אשר ב-20 השנה האחרונות עבד ב-IBM, תחילה בעולמות ייצור השבבים האוטומטי, ולאחר מכן הקים והוביל את צוות המחקר בתחום המחשוב הקוונטי במעבדת המחקר של IBM בחיפה. שני המייסדים האחרים הם בנו, אמיר נוה, פיזיקאי בוגר תוכנית תלפיות ומנהל הפיתוח בחברה, וניר מינרבי, בעל תואר שני בהנדסת חשמל, גם הוא בוגר תוכנית תלפיות, המשמש כמנכ"ל. לחברה 8 עובדים במשרדיה בתל אביב.

שלושתם זיהו את הצמיחה בעולם המחשוב הקוונטי, אך גם את החסמים הרבים הקיימים בו, והחליטו להתמקד בחסם משמעותי של פיתוח תוכנה קוונטית. קלאסיק מפתחת פלטפורמה שנועדה להקל על תהליך פיתוח האלגוריתמים למחשבים הקוונטיים ולהנגיש אותו ליותר פיזיקאים ומפתחים קוונטים, וגם למומחים מתחומי תעשייה שונים. זאת, באמצעות הוספת שכבה חדשה ומופשטת יותר של קוד. בינתיים, הם אומרים, לחברה יש כבר כמה לקוחות ראשוניים מעולמות הפיננסים והבריאות, איתם החברה בונה את הפלטפורמה שלה, אך הם לא חושפים את זהות הלקוחות.

"למרות אי הוודאות, מה שמעקב אותנו זה קצב הגדילה שלנו ולא של השוק. הלקוחות כבר קיימים, כי כל ענקיות הטכנולוגיה וחברות פורצ'ן 500 כבר משקיעות בעולם הזה, ומנסות לבנות יישומים מעשיים, מאמרים, פטנטים וקוד שאמור לרוץ על מחשב קוונטי ולהביא ערך. מה שאנחנו מציעים זה בדיוק מה שהן צריכות היום: הן בונות את בסיס האלגוריתמים וכדי לבנות תוכנה הגיונית, לא תמיד צריך את החומרה שמתחת", אומר אמיר נוה.

לומדים מהניסיון ב-IBM

"יש שתי בעיות עם פיתוח תוכנה למחשבים קוונטיים: אחת, שזה תהליך נורא לא אינטואיטיבי וזאת בעיה אינהרנטית לתחום הקוונטים וללוגיקה הקוונטית. דבר שני, הכלים למחשב קלאסי פותחו במשך 60 השנים האחרונות, אבל הכלים שבאמצעותם אפשר לפתח תוכנה קוונטי,ת הם מאוד בסיסיים, כי זה עולם מאוד חדש", אומר מינרבי ל"גלובס".

"היום, מאחורי כל שורת קוד שכותבים במחשב רגיל, יש המון שורות קוד שמתרגמות אותה ללוגיקה הבסיסית, אבל עוד לא הגענו לרמת האבסטרקציה הזו במחשוב קוונטי", מוסיף מינרבי. המשמעות היא, שבמחשבים סטנדרטיים, המתכנת יכול לומר למחשב מה הוא רוצה שהמחשב יעשה, וברקע, הפקודות האבסטרקטיות שלו מתורגמות לפקודות ספציפיות, שמורות למחשב איזה זרם חשמלי לשלוח כדי לקבוע את מצבו של כל ביט וביט. במחשב קוונטי לעומת זאת, הכלים הללו לא קיימים עדיין, וצריך לתכנת ישירות את הביטים, כלומר ברמת השערים הלוגיים. אלא שאם במחשב רגיל מדובר במשימה מורכבת, במחשב קוונטי היא מורכבת פי כמה.

ביט, יחידת הבסיס של מחשבים, הוא בינארי, והוא יכול להיות באחד משני מצבים: אפס או אחד. ביטים קוונטיים, או "קיוביטים", פועלים בהתאם ללוגיקה של מכניקת הקוונטים, שמתארת תופעות טבע שמתקיימות בקנה מידה מזערי, או בטמפרטורות נמוכות במיוחד. הם יכולים לקבל על עצמם כמה מצבים קוונטיים שונים.

כך למשל, סופרפוזיציה הוא המצב בו חלקיק אחד מתקיים בשני מקומות במקביל. במחשבים קוונטיים קיוביט יכול להיות בסופרפוזיציה, כלומר להיות גם 0 וגם 1במקביל. היא מאפשרת לבצע חישובים רבים במקביל כדי לחפש תשובה נכונה אחת מבין אפשרויות רבות, באמצעות כוח מחשוב מועט יחסית. תכונה אחרת, התאבכות, יכולה להעצים או לסתור מגמה בסביבתה, כמו שני גלים מכיוונים מנוגדים המבטלים זה את זה, או לחילופין - שמגיעים מאותו הכיוון ומעצימים זה את זה. באמצעותה ניתן לבצע חישובים רבים שונים במקביל, ואז להשתמש בה כדי לחזק את אלה שמובילים לתוצאה הרצויה ולבטל את אלו שלא.

כשרותמים את התכונות האלה לטובת עולם המחשוב, הן יכולות לשמש לפתרון בעיות שלמחשב רגיל היה לוקח יותר זמן לפתור מאשר שנות קיומו של היקום. כך הם יכולים לשמש לפתרון בעיות מורכבות, כמו מציאת הדרך היעילה ביותר עבור פדקס לשלוח חבילות עם השימוש המועט ביותר בדלק, או לחפש ביעילות את הגורמים הראשוניים של מספר גדול, כפי שהראה פיטר שור עם האלגוריתם הקרוי על שמו.

כפי שהתכונות הללו יכולות לעזור למחשב קוונטי לפתור בעיות כאלה ביעילות, הן גם הופכות את המחשבים הקוונטיים למסובכים במיוחד לתכנות. במצב הקיים כיום, המתכנת צריך להחליט איזה מצב להכיל על כל קיוביט בנפרד, כדי ליצור את האפקט הרצוי על האלגוריתם. לשם כך נדרשת מומחיות גבוהה בפיזיקה קוונטית תיאורטי, שאפילו לבעל דוקטורט בתחום יהיה קשה לבצע זאת.

כאן נכנס לתמונה הניסיון של ד"ר נוה, שהתמודד עם בעיה דומה בתפקידו ב-IBM, אך דווקא לא במסגרת עיסוקו בעולם הקוונטי, אלא בתחום ייצור השבבים. שבבי הסיליקון, המשמשים במחשבים ובסמארטפונים של היום, הם בעלי ארכיטקטורה מורכבת במיוחד שכוללת מיליארדי טרנזיסטורים. תכנונם לא מתבצע ידנית, אלא באמצעות תוכנת CAD (ר"ת Computer Aided Design), המסייעת לבצע אוטומציה של התהליך. המתכנת מזין לתוכנה את היכולות המבוקשות, והאילוצים הקיימים מבחינת המאפיינים והכלים העומדים לרשותו, והתוכנה מתרגמת את המידע האבסטרקטי הזה למבנה הספציפי של השבב הסופי.

את עיסוקו בעולמות הללו, ד"ר נוה הצליח להמיר לעולם הקוונטי במסגרת החברה החדשה. "הטכנולוגיה כולה מבוססת על היכולת שלנו לשמוע מה המשתמש רוצה ולייצר ממנו מעגל קלאסי. אי אפשר לעשות את זה בלי להיות מומחה בקוונטים, בלי להבין את המשתמש, ובלי להבין איך לתרגם את זה לאלגוריתם. כל הקסם הוא צוות אינטרדיסציפלינרי של פיזיקאים, מדעני מחשב, ואנשים בעולמות ה-CAD, שמצליחים יחד להביא גישה חדשה ואולי מרעננת, ששונה מאוד מהגישות הקיימות", הוא אומר.

 מחשוב קוונטי במעבדת מחקר של IBM בציריך / צילום: באדיבות IBM Research

מאמר שעורר תעשייה שלמה

מחשב שפועל על פי הלוגיקה הקוונטית יהיה תיאורטי בלבד אם לא יפעל גם על פי חוקי הפיזיקה הקוונטית. אלא שתופעות קוונטיות לא מסוגלות להתקיים באופן יציב בסביבה הפיזית הסטנדרטית, וכך גם המחשבים הקוונטיים. הם עשויים מחומרים מוליכים ביותר שנשלטים על ידי גלי מיקרו, גלים עדינים במיוחד שמוזרמים אליהם וקובעים את מצבו של כל קיוביט. לכן, הם רגישים לכל תנועה בסביבתם שעשויה לשבש את התוצאות של חישוביהם או להפר את האיזון בו הם נמצאים ולהביא למחיקת המידע המוחזק בהם. כדי לייצב אותם, המחשבים הקוונטיים מוחזקים בקירור, שהופך את עלות התחזוקה שלהם ליקרה במיוחד.

ככל שמנסים להגדיל מחשבים קוונטיים, כך יציבותם ואמינותם יורדות ועלות התחזוקה שלהם מטפסת. לצורך ביצוע חישובים הנוגעים לפיתוח תרופות או לפתרון בעיות בעולם האמיתי, דרוש מחשב קוונטי יציב ומדוייק של אלפי קיוביטים, ואילו היום המספר הגדול ביותר הקיים עומד על כמה עשרות. אפילו בסדרי הגודל הללו, הם לא מדויקים מספיק, ומדענים וחוקרים מתקשים לשמור על יציבותם.

בשבוע שעבר, התקווה שהתחום יצליח להתרומם קיבלה חיזוק בדמות מאמר במגזין המדעי Nature Physics, של שלושה מדענים מעולמות הפיזיקה והמתמטיקה. המאמר כלל אלגוריתם שמסוגל להבין את הרעש שנוצר במחשבי קוונטום, לזהות את הדפוסים שלו וכך גם אולי "לנקות" אותו. זה אגב, התחום בו עסק ד"ר נוה ב-IBM.

עד כה, אלגוריתמים מסוג זה הצליחו לפעול על מחשבים קוונטיים קטנים ביותר, אך במאמר החוקרים הציגו ניסוי מוצלח שערכו עם האלגוריתם על גבי מחשב של 15 קיוביטים, באמצעות פלטפורמת "Experience" של IBM, שמאפשרת למשתמשים לגשת למחשב הקוונטי של החברה בענן . הצלחת הניסוי אמנם אינה מבטיחה את הצלחת התחום, אך היא נחשבת לפריצת דרך משמעותית.