כך מתכננת מיקרוסופט לכבוש את שוק המיחשוב הקוונטי

כשחברה בת של טויוטה, Toyota Tsusho, חברה לסטארט-אפ הקוונטים היפני Jij, הם פיתחו מודל המייעל את התיאום בין רמזורים ומצמצם את זמן ההמתנה בהם ב-20%. התוצאה הזאת טובה לא רק לעצבים של הנהגים, היא חוסכת באנרגיה, בזמן, בכסף ובפליטות של חומרים מזהמים. למהפכת המיחשוב הקוונטי, שמבטיחה יכולות חישוב שלא נראו כמוהן עד היום, יש פוטנציאל אמיתי "לעשות טוב לעולם". השמים הם הגבול, מפיתוח תרופות יעילות וזולות יותר למחלת האלצהיימר ועד פענוח מידע מוצפן שנחשב היום בלתי ניתן לפיצוח (או לחלופין יצירת הצפנה טובה כל כך, שתשרוד לנצח).

עד כמה מדובר בהזדמנויות בלתי נתפסות? בראיון לגלובס, לקראת אירוע הסטארט-אפים המבטיחים לשנת 2020, אמר מנכ"ל קוואנטום מאשינס, ד"ר איתמר סיוון, שהוא ויתר על כל ניסיון לספק תחזית לאופן שבו ייראה עתיד קוונטי. זה כמו שהאדם הקדמון לא יכול לדמיין סמארטפון, אמר אז, וחזה כי בתסריט האופטימי ביותר נראה אפליקציות קוונטיות ראשונות ב-2023.

פריצות דרך בענן הקוונטי

מי שמובילות היום את המהפכה הן חברות ענק כמו IBM וגוגל, לצד מדינות וחברות נישה מוכרות פחות. קבוצות מחקר ברחבי העולם מנסות לבנות מחשב קוונטי. בקצרה ועד כמה שניתן בפשטות, מחשב כזה מעבד נתונים תוך שימוש בתכונות של מכניקת הקוונטים. להבדיל ממחשב רגיל, המשתמש בביט כיחידת מידע בסיסית, מחשב קוונטי משתמש בקיוביט (ביט קוונטי), שיכול להיות לא רק 0 או 1 אלא שניהם במקביל - דבר הפותח אינספור אפשרויות חישוב חדשות. חברות הענק למעשה שואפות להגיע ל"עליונות קוונטית", כלומר, לרגע שבו מהירות החישוב של המחשב תעלה באופן משמעותי על זו של מחשב רגיל.

לצד המאמצים לבניית המחשב הקוונטי הראשון, מתנהל מרוץ עולמי להתחמשות במערכות שיתקשרו איתו, ובתחום הזה מיקרוסופט רוצה להיות המובילה. מדובר בטקטיקה מוכרת של החברה: היא עוקבת מקרוב אחר ההתפתחויות בשוקי התוכנה וממתינה לשעת כושר כדי להפעיל את כל כובד משקלה. כך פעלה, לדוגמה, בתחום הסייבר: זמן קצר לאחר שביצעה כמה השקעות בתחום, כולל רכישת חברות ישראליות, היא השתלטה על שוק הגנת הסייבר לתחנות קצה והפכה לשחקנית מובילה. בדרך היא הדיחה ממעמדם מותגים ותיקים ומוכרים.

"אנו מנסים לממש את ההבטחה שגלומה במיחשוב קוונטי, כדי שנוכל להציל חלקים מהפלנטה שלנו, לפצח ולגלות טכניקות חדשות עבור החברה האנושית, ולהילחם באתגרים המשמעותיים ביותר", אומרת בראיון בלעדי לגלובס ד"ר קריסטה סוור, מנהלת תחום המיחשוב הקוונטי של מיקרוסופט העולמית.

סוור עצמה נחשפה לעולם הקוונטי כשהשתתפה כסטודנטית בסמינר שהעביר המתמטיקאי הנודע אנדרו ויילס, שבשנת 1995 הוכיח לראשונה את אחת הבעיות המפורסמות במתמטיקה, "המשפט האחרון של פרמה". "עד היום אני זוכרת את עצמי יושבת בקורס מרותקת, שומעת לראשונה שקיים בעולם מודל אחר של מיחשוב, שמזריק עקרונות פיזיקליים של מכניקת קוונטים למודלים של מיחשוב, באופן המאפשר לבצע משימות שאי-אפשר אפילו לדמיין שניתן לבצע בעזרת מחשבים רגילים", היא מספרת.

מיקרוסופט פועלת בתחום הקוונטים מאז 1987. לדברי סוור, "רוב הזמן הפעילות הייתה בתחום התיאורטי והחברה עסקה בשאלות כמו מהו קיוביט", אבל בתחילת פברואר 2021 מאמצי החברה עלו מדרגה, עם השקת "הענן הקוונטי הציבורי הראשון", כפי שהיא מכנה אותו, ובשמו הרשמי יותר: Azure Quantum.

הענן נועד לאפשר לחוקרים ברחבי העולם נגישות לכלים שאפשרו את פריצות הדרך הקוונטיות עד כה. לצד מחשבים קוונטיים שמספקות שתי השותפות של מיקרוסופט - חברת Honeywell Quantum Solutions וחברת IonQ - מספק הענן הקוונטי של החברה כלים שנותנים לחוקרים טעימה מיכולות החישוב הקוונטי, אף שהחישוב עצמו מבוצע עדיין במחשב רגיל. IonQ היא גם ספקית הענן של ענקית אחרת - אמזון. לפני כשלושה שבועות דווח כי החברה עומדת לצאת להנפקת SPAC לפי שווי של 2 מיליארד דולר.

סוור מספרת שדיאלוג בין מתכנתים ומתמטיקאים בענן הקוונטי כבר הוליד נוסחה ליצירת מולקולה שתסייע להפחית ב-10% את כמות הגז הטבעי הנדרשת בתהליך ייצור של אמוניה, רכיב מרכזי בדשנים לחקלאות. "הצלחנו לצמצם את זמן הריצה של אלגוריתם שקשור באחד היישומים הכי חשובים של מיחשוב קוונטי, מכמה מיליארדי שנים לטווח של שעות", היא אומרת. פרויקט אחר הצליח לקצר את זמן בדיקת ה-MRI. "בעזרת אלגוריתמים קוונטיים הצלחנו לקצר את משך הבדיקה לשליש ולדייק אותה כך שנוכל לאבחן טוב יותר מחלות ואפילו לחסוך לילדים את הצורך בטשטוש לפני הבדיקה".

גם בישראל מתרחשת כעת פעילות ענפה בתחום הקוונטי, וסוור מבקשת למשוך אליה מפתחים כבר בשלביה המוקדמים. ב-2020 החלה מיקרוסופט לשתף פעולה עם אוניברסיטת בר-אילן, במטרה לעודד סטודנטים ללמוד קורסים במדעי המחשב, המבוססים על סילבוס של החברה ולמידה באמצעות הסימולטור הקוונטי שלה ושפת הפיתוח הקוונטית שפיתחה - Q#.

המעורבות של ענקיות הטכנולוגיה באקדמיה הישראלית אינה תופעה חדשה, אבל בתחום הקוונטי היא עשויה להיות קריטית. מאחר שהתחום נמצא בחיתוליו, כל חברה שתצליח למשוך אליה כוח אדם איכותי ולהרגיל אותו להשתמש בכליה עשויה לחזק כך את אחיזתה העתידית בשוק.

בישראל, מוביל את המיזם הקוונטי של מיקרוסופט ד"ר תומר סיימון, שבשלוש השנים האחרונות היה איש הקשר של החברה למערכת הביטחון וחבר בצוות ראש הממשלה ליציאה מסגר הקורונה הראשון. לאחרונה הוא מונה לתפקיד המדען הראשי של מרכז הפיתוח של מיקרוסופט, והוא יהיה אמון על הקשר עם האקדמיה. "לתוכנית הקוונטית שלנו יש היסטוריה של עבודה עם כמה קולגות מדהימים בישראל. יש בישראל כמה פרופסורים מאוד משפיעים בתחום", אומרת סוור.

הסיבה למיקוד באקדמיה נעוצה בשלב המוקדם שבו נמצא המיחשוב הקוונטי. עוד לפני שמשקיעים בסטארט-אפים, חייבים להכשיר את דור המפתחים שיוביל את המהפכה.

השבב שיתקשר עם מיליוני קיוביטים

כדי להבין עד כמה המהפכה הקוונטית נמצאת בראשיתה, נאמר שכיום המחשבים שפותחו כוללים לכל היותר עשרות קיוביטים בלבד. בעתיד, השאיפה היא להגיע למיליונים. סוור מדגימה כיצד מיקרוסופט מתכוננת לעתיד הזה: "הצוות שלנו בסידני, אוסטרליה, הצליח לפתח שבב שיאפשר בעתיד גישה למקרר ובו מחשב עם מיליוני קיוביטים בעזרת שלושה כבלים בלבד". כיום נדרשים מאות כבלים כדי לגשת למחשב עם מאה קיוביטים בלבד, היא מבהירה.

"אנחנו מגדירים מחדש מה זה מיחשוב, אילו שאלות אפשר יהיה לפתור ואיך ניתן לעשות זאת", אומרת סוור. לשם כך, לא מספיק לפתח מחשב קוונטי; יש להגדיר ולבנות את כל מעטפת החומרה והתוכנה סביבו, מה שמכונה "פול סטאק", כלומר, מכלול השכבות שמרכיבות את התוכנה - מהשכבה התחתונה שמדברת עם ה"ברזלים" (המחשב הקוונטי עצמו) ועד השפות המורכבות ביותר שיאפשרו למפתחים לבנות אפליקציות למחשבים האלה. כדי להשיג את המטרה הזאת, אומרת סוור, "אנו זקוקים לקהילה גלובלית שתסייע לחדש בכל שכבה של הסטאק".

אסטרטגיה דומה אימצה גם המתחרה הישירה, חברת IBM, שכבר בנתה כמה מחשבים קוונטיים ובספטמבר 2019 אף הודיעה כי מכרה לגרמניה את "Q System One", המחשב הקוונטי המסחרי הראשון בעולם. בתחילת פברואר 2021 חשפה החברה גם את מפת הדרכים להתקדמות בפיתוח תוכנה קוונטית שתאפשר שליטה ובקרה על המערכות הקוונטיות.

"לא חייבים להבין בפיזיקה קוונטית"

בניגוד למה שאולי נדמה, לא מוכרחים להיות דוקטור לפיזיקה קוונטית כדי להשתלב במהפכה המתרחשת בתחום הזה. למעשה, טוענת סוור, "בשביל תכנות קוונטי לא חייבים להבין בפיזיקה קוונטית. בשום שלב גם לא צריך לעבור דרך מעבדת פיזיקה. להיפך, אם מישהו רוצה ללמוד מכניקת קוונטים, הדרך היא דווקא לנסות לכתוב כמה שורות קוד בתוכנות שלנו ולראות כיצד הן מתנהגות".

באמצעות אותן תוכנות, היא אומרת, מתכנת יכול לשזור כמה קיוביטים וללמוד על שזירה קוונטית - תופעה שבה שינוי בחלקיק אחד יוביל לאותו שינוי בחלקיק אחר גם אם הוא נמצא בחלק אחר של היקום, ובתנאי שהם נפגשו בעבר. ואז הוא יכול להמשיך ליצירת סופר-פוזיציה קטנה - מצב שבו חלקיק יכול להימצא בשני מצבים שונים במקביל, ולהתנסות בטלפורטציה - שיגור מידע המגיח במקום אחר, בלי לשלוח את החלקיק ממש.

"כשבתי הייתה בת שנתיים וחצי, קניתי לה ספר פיזיקה קוונטית", מספרת סוור. "יש סדרת ספרים נהדרת על מדע וקוונטים לתינוקות. אני מאמינה שאף פעם לא מוקדם מדי ללמוד את זה, להכיר את הקונספטים האלה, עוד לפני שמפתחים אינטואיציה קלאסית".

הזירה הישראלית: הממשלה הציבה יעד לאומי, התעשייה מתעוררת

המהפכה הקוונטית הממשמשת ובאה לא פוסחת על ישראל. כבר ב-2018 החלה קבוצת פרופסורים מהטכניון, בהובלת פרופ' אורי סיוון, להוביל מהלך להגברת המודעות והגדלת התקצוב הממשלתי בתחום. ראש הממשלה בנימין נתניהו עצמו הכריז באותה שנה על הנושא כיעד לאומי, ובדצמבר 2019, החליטה הממשלה להשקיע בו 1.25 מיליארד שקל בחמש שנים.

הגוף שינהל את התקציב הזה הוא התוכנית הלאומית לקידום טכנולוגיות קוונטיות, שבינואר 2020 מונה לעמוד בראשה ד"ר טל דויד, מנהל פיתוח אמצעי לחימה במשרד הביטחון (מפא"ת). מטרת התוכנית היא לתמוך בקבוצות מחקר מצטיינות באוניברסיטאות בישראל, אשר יעסקו במחקר ובפיתוח בתחום המדע וטכנולוגית הקוונטיים.

ד"ר דויד עצמו פועל במסגרת נוספת לקידום התחום שקמה בספטמבר 2019 על ידי רשות החדשנות, ובמימון מפא"ת - "מאגד" תקשורת וחישה קוונטית, ששותפות בו שחקניות מהתעשייה ומהאקדמיה בישראל כמו מלאנוקס, אלישרא, האוניברסיטה העברית והטכניון.

גם בצד התעשייה יש התעוררות. השחקנים הפעילים נעים מהתעשיות הביטחוניות, כמו רפאל ואלתא המתמחות בפיתוח מוצרים מבוססי חיישנים קוונטיים, ועד סטארט-אפים כמו קוואנטום מאשינס, שכבר גייסה 23 מיליון דולר ונכללה ברשימת הסטארט-אפים המבטיחים של גלובס לשנת 2020. סטארט-אפים נוספים בתחום הזה הם קלאסיק, שהקים ד"ר יהודה נוה, מי שהוביל את צוות המחקר בתחום המיחשוב הקוונטי ב-IBM בחיפה, Qedma ו-LightSolver.

ד"ר קריסטה סוור

מנהלת תחום המיחשוב הקוונטי של מיקרוסופט העולמית, מתגוררת בסיאטל, ארה"ב ● דוקטורט מאוניברסיטת קולומביה. חברה בדירקטוריונים של ארגונים לחינוך וקידום נשים ● מדברת בהרצאותיה על החשיבות של קידום הערכה עצמית של נשים והפוטנציאל שלהן לפתח את הטכנולוגיות שיפרצו דרך לעתיד

המרוץ למחשב קוונטי: 5 השחקניות הגדולות

גוגל

מרכז הפעילות הקוונטית של החברה במעבדה בסנטה ברברה. השאיפה שלה היא להגיע ל"עליונות קוונטית", כלומר, למחשב המסוגל לבצע חישובים שמחשב רגיל לא יוכל לבצע גם במשך מיליארדי שנים. פיתחה את השבב Sycamore , שכבר הפגין עליונות מסוימת

IBM

מפתחת מחשבים קוונטיים במרכז המחקר וואטסון. ב-2019 השיקה את המחשב הקוונטי המסחרי הראשון והתוכנית שלה היא עד 2023 לפתח מחשב של 1,000 קיוביטים. בניגוד לגוגל, החברה מודדת את נפח המחשב, המביא בחשבון את מספר הקיוביטים ואיכותם

מיקרוסופט

מחזיקה 8 מעבדות מחקר ברחבי העולם, שמפתחות את המעטפת למחשבים הקוונטיים, כגון שפת תכנות ( #Q ) וחומרה. בחודש שעבר השיקה את הענן הקוונטי הציבורי הראשון, שמטרתו לאפשר לחוקרים ומפתחים מכל העולם לעבוד עם כלים בעלי תכונות קוונטיות

ממשלת ארה"ב

סוכנות פדרלית לתיאום המחקר הקוונטי החלה לפעול כבר ב-2014, וב-2018 עבר בקונגרס חוק דו-מפלגתי המקצה לפיתוח של כלי עיבוד מידע קוונטיים 1.2 מיליארד דולר לתקופה של עשור.

ממשלת סין

ב-2017 הכריז ראש ממשלת סין על הקמת מעבדה לאומית למדעי הקוונטים בהשקעה של 10 מיליארד דולר. בדצמבר 2020, קבוצת המחקר המובילה במדינה הודיעה שיצרה את אב טיפוס של מחשב קוונטי. במקביל לממשלה החלו להשקיע בתחום גם ענקיות הטכנולוגיה הסיניות עליבאבא ובאידו