החוקרת פורצת הדרך שרוצה לתקן את השגיאות של המחשב הקוואנטי

מחשבים קוואנטיים נמצאים על סף דלתנו, אומרת פרופ' דורית אהרונוב, מבית הספר להנדסה ומדעי המחשב באוניברסיטה העברית. סביר להניח שכבר שמעתם עליהם בעבר - החברות הכי גדולות בעולם רואות בהם עתיד מזהיר לתחומי הפעילות שלהן.

בעוד כמה שנים, הם יוכלו לפתור בעיות שמחשבים קלאסיים לא יכולים היום להתמודד איתן. בטווח הרחוק יותר, הם כנראה יאפשרו פריצות דרך יוצאות דופן במגוון תחומי החיים שלנו. הם יעזרו בגילוי תרופות, לנבא את מזג האוויר, להבין איך בני אדם הורסים את האקלים ומה אפשר לעשות נגד זה, ואפילו לבנות לנו את פורטפוליו ההשקעות האופטימלי. זה רק קצה הקרחון.

קודם כול צריך לסדר את הבית

אז איפה נמצא צוואר הבקבוק שמונע כיום את היישומים האלה? הבעיה העיקרית היא שמחשבים קוואנטיים אינם מושלמים. הם עושים שגיאות. והשגיאות האלה מצטברות.

"זה קצת כמו הבלגן בבית", מסבירה אהרונוב. "אם אנחנו נותנים לבלגן להגיע עד סף מסוים, אנחנו יכולים כל הזמן לסדר אחרי עצמנו ולהתמודד איתו. אם אנחנו נותנים לו לעבור סף מסוים, המצב יהיה בלתי נסבל. ובמונחים של מחשב קוואנטי, אם ניתן לו לעשות כמות מסוימת של שגיאות, נוכל לתקן אותן ולקבל ממנו חישובים בעלי ערך. אם ניתן לשגיאות לעלות מעבר לסף מסוים בלי לתקן אותן, נקבל תוצאה חסרת ערך".

המשפט הזה, שנשמע אולי אגבי, היה אחת מפריצות הדרך של אהרונוב. הוא נקרא "משפט הסף", והיא הגדירה בו, יחד עם המנחה שלה לדוקטורט פרופ' מיכאל בן אור, מהו רף השגיאות המקסימלי שאליו אפשר להגיע, לפני שהמצב יהפוך להיות בלתי נסבל. למשפט הזה הייתה משמעות רבה משום שהוא הגדיר שהשגיאות אינן חלק אינהרנטי של המחשוב הקוואנטי, והן לא יגרמו לכך שלעולם לא ניתן יהיה לייצר מחשב כזה. הן קיימות, אבל אפשר, כך נראה, להתמודד איתן.

מאז הציעו אהרונוב ואחרים כל מיני שיטות לתיקון השגיאות, שיטות שהולכות ומשתפרות, אבל משפט הסף עצמו עדיין עומד. מגזין Nature בחר בה בשנת 2005 לאחת מארבעה "התאורטיקנים הצעירים הבולטים ביותר בתחומם".

 פרופ' דורית אהרונוב / צילום: תמונה פרטית

אהרונוב היא גם ממייסדות חברת קדמה, הפועלת לפיצוח בעיית השגיאות שמונעות היום מהמחשבים הקוואנטיים להתקיים. היא תהיה אחת הדוברות המרכזיות בכנס ביומד 2023, שייערך בשבוע הבא בתל אביב.

החתול החמקמק שחי ומת במקביל

לפני שנסביר איך אהרונוב מתקנת את השגיאות וכיצד התיקון הזה מאפשר למחשבים קוואנטיים להתקיים, נסביר בקצרה מהו מחשב קוואנטי, מדוע צופים לו תפקיד כל כך חשוב בחיים שלנו ומדוע הוא פגיע לשגיאות מלכתחילה.

תורת הקוואנטים קיימת משנות ה־20 של המאה הקודמת, אך עד שנות ה־80 של המאה העשרים לא עלה הרעיון שניתן להשתמש בתופעות קוואנטיות כדי לבנות מחשבי על.

בבסיס תורת הקוואנטים עומד רעיון הסופרפוזיציה, כלומר, האפשרות לשני מצבי קיום מקבילים. אולי כבר הכרתם את החתול של שרדינגר, חתול תיאורטי שסגור בקופסה ואיננו יודעים אם הוא חי או מת. לכאורה, ברגע שנפתח את הקופסה נדע מה מצבו, אבל זה לא באמת המצב בתורת הקוונאטים, אומרת אהרונוב.

"זו לא אי־ידיעה ולא הסתברות. קיוביט - חלקיק המכיל מידע קוואנטי - באמת נמצא בשני המצבים באותו זמן", היא מסבירה, אבל אם אנחנו מנסים למדוד אותו, הסופרפוזיציה נעלמת, והוא קורס למצב יחיד.

בכל זאת, ייתכן שהסופרפוזיציה אינה חמקמקה כמו שנדמה. מתברר שאנחנו יכולים אפילו לשלוט בה ולגרום לקיוביט להיות, לדוגמה, במצב 70%־30%, ולקיוביט לידו להיות במצב 80%־20%. בעצם יש לנו יחידה חישובית, שבמקום להכיל מידע רגיל של 0 או 1, היא מכילה המון אפשרויות, ולא רק בחלקים ממאה אלא גם במספרים שליליים ומספרים מורכבים. "כאשר לכל קיוביט יש כמה אפשרויות, יש גידול אקספוננציאלי במספר המצבים שיכולים להיות מיוצגים על ידי המערכת. היום, בעקבות הקורונה, כולם יודעים איך נראה ומרגיש גידול אקספוננציאלי", אומרת אהרונוב. מערכות קוואנטיות גדולות מספיק יוכלו לייצג מספר מצבים שהוא גדול יותר ממספר כל החלקיקים ביקום, מספר בלתי נתפס של מצבים.

"אם מתכננים את האלגוריתם נכון, האפשרויות השונות של המערכת יכולות לדבר זו עם זו, כמו שגלים שנפגשים בים יכולים לבטל זה את זה או להגביר זה את זה". התוצאה יכולה להיות שיפור של זמן החישוב של המערכת, באופן אקספוננציאלי.

אהרונוב מספרת שבשנת 1994 הדגים פרופ' פיטר שור מ-MIT כיצד באופן תיאורטי מערכת של הרבה קיוביטים הנמצאים באינטראקציה יכולה לפתור בתוך כמה שעות ואפילו דקות בעיות מתמטיות שלמחשבים רגילים יידרש יותר זמן מגיל היקום כדי לפתור. באופן ספציפי, שור הדגים איך אפשר להשתמש באינטראקציה הזאת כדי לפתור בעיות מורכבות של פירוק מספרים לגורמים.

"מהרגע הזה התחיל התחום להתפתח בשני וקטורים", אומרת אהרונוב. וקטור אחד הוא מדענים שמזהים בעיות מורכבות ומראים כיצד, ברמת העיקרון, אלגוריתמים שרצים על מערכת קוואנטית אמורים להיות מסוגלים לפתור אותן. כך הודגם, באופן תיאורטי, כיצד ניתן לפצח באמצעות מחשב קוואנטי כמעט את כל סוגי ההצפנה.

קבוצה שנייה של מדענים מנסה לפתח את המחשב הקוואנטי בפועל. "בהתחלה זה היה שיגעון של מעט אנשים", נזכרת אהרונוב. "היום כל החברות הכי גדולות בונות מחשבים כאלה: גוגל, אמזון, IBM. הן מתחרות זו בזו מי תבנה את המחשב השימושי הראשון".

עד כמה אנחנו רחוקים מזה היום?
"יש מחשבים שפועלים על כמה עשרות קיוביטים עד כמה מאות, אבל הם לא יודעים לפתור בעיות שמחשב קלאסי לא יודע לפתור. המטרה היא להגדיל את המחשבים הללו, בלי לאבד מאיכות החישוב".

"בלי קוואנטים, שום דבר לא קיים"

הבעיה הגדולה, צוואר הבקבוק המשמעותי של התחום, היא שככל שמערכת קוואנטית גדלה, יש בה גם יותר שגיאות. "אנחנו לא יודעים היום לשים את הקיוביט בדיוק על ה־70% 30%", אומרת אהרונוב. "אולי הוא יהיה, נניח, ב־71%־29%, ואנחנו לא נדע.

"יש בעיקרון שני סוגי שגיאות. לדוגמה, יש שגיאה של סיבוב יתר של הקיוביט. סובבנו אותו למצב 71 במקום 70. אם נזהה שזה מה שעשינו, אז אפשר לסובב אותו חזרה. אז הדבר הראשון שעשינו הוא לפתח כלי לזיהוי הטעויות האלה".

זיהוי טעויות נשמע קצת כמו "מדידה" ואמרנו שמדידה גורמת לקריסת הקיוביט כך שלא יוכל לייצג עוד את מלוא האינפורציה.

"נכון. זה אתגר המדידה. אבל חוקרים, ביניהם אותו פיטר שור שהזכרנו, המציאו מתקני שגיאות שמאפשרים למדוד רק חלק מהמידע, כלומר רק עד כמה שגינו בסיבוב, בלי למדוד את הסופרפוזיציה עצמה ובלי להביא לקריסתה.

"כיוון אחר הוא להריץ תחילה אלגוריתם שהתוצאה החזויה שלו ידועה, ולראות כיצד התשובה שקיבלנו סוטה מהצפוי. למשל, אם הכנסנו 'אדום' וקיבלנו 'כתום', אנחנו יודעים שהמערכת תמיד מבהירה צבעים, ונביא את זה בחשבון בפענוח התוצאות הבאות שלנו".

סוג נוסף של שגיאות מתקבל כאשר הקיוביטים "נמדדים" בטעות, לא על ידי בני אדם. "נניח שהיה קיוביט שלא ידענו שנמצא במערכת, והוא היה באינטראקציה עם קיוביט שהוא חלק רשמי במערכת ומקריס אותו, או שפוטון נכנס ומודד אותו. אירועים כאלה מעלים עוד יותר את האי-ודאות, את האנטרופיה במערכת, וברגע שהיא עולה מדי, כבר אי־אפשר לתקן אותה בשיטות שתיארנו.

"אנחנו בעצם רוצים למנוע מהסביבה הפיזית למדוד את המידע שלנו לפני שאנחנו מגיעים למדוד אותו. מי שמודד 'ראשון' משנה את המערכת כך שאי־אפשר לחלץ ממנה את התשובה הנכונה. הדרך שבה אנחנו מגינים על המידע הוא 'למרוח' אותו על הרבה קיוביטים קוואנטיים, ואז הסביבה יכולה למדוד רק חלק מהמידע והמדידה החלקית הזאת לא מקריסה את המערכת.

"בכנס אני אציג תוצאות של שיטה חדשה שפיתחנו כדי להתמודד עם השגיאות הללו, וגם תוצאות ניסוייות של הפעלת השיטה שלנו להפחתת כמויות הרעש באלגוריתמים קוואנטיים שונים. את השיטה הזאת אנחנו עומדים להפעיל בשיתוף פעולה עם חברת תרופות מובילה".

אז מתי יהיו לנו מחשבים קוואנטיים?
"בעשור הקרוב יש לנו הערכות שכבר יהיו לנו המחשבים הגדולים שיפתרו את הבעיות המורכבות שמחשבים קלאסיים אינם יכולים לפתור".

איפה האדם הרגיל פוגש היום את תורת הקוואנטים בחיים שלו?
"בלי קוואנטים, שום דבר פה לא קיים. הטבע לא צריך שנבין אותו כדי להתקיים, והתופעות הקוואנטיות הן חלק מכל דבר שקורה בו. נניח, מאירים בצבע לבן על משהו והוא מחזיר רק בכחול או באדום. זו תופעה קוואנטית. גם מחשב קלאסי פועל על אפקטים קוואנטיים. זה מה שמאפשר לו לאגור את המידע, אז מדובר ברכיבים קוואנטיים עם לוגיקה קלאסית. גם פצצות האטום מבוססות על פיזיקה קוואנטית".

לייזרים, מכשירי MRI ושעונים אטומיים הם דוגמאות נוספות לטכנולוגיות שפיתוחן כנראה לא היה יכול להתרחש בלי הבנה של פיזיקה קוואנטית.

"תופעות קוואנטיות הן תופעות לא אינטואיטיביות. אינשטיין, למשל, ניסה למצוא כל דרך אפשרית להיפטר מהן. הוא לא אהב את חוסר הוודאות שבהן, אבל הפיזיקה הזאת עובדת. 90 שנה של ניסויים הראו כי התורה הקוואנטית נחוצה כדי לתאר את הטבע בצורה הטובה ביותר".

כל חברה צריכה איש קוואנטים

לדברי אהרונוב, חברות גדולות בתחומים שונים עובדות בשיתוף פעולה צמוד עם חברות המפתחות מחשבים קוואנטיים כדי לפתח יחד את האלגוריתמים שיתאימו לפתרון הבעיות הרלוונטיות להן. הדבר מזכיר את האופן שבו עבדו בראשית ימי המחשב. חוקרים לא חיכו שהמחשב יהיה מוכן, אלא עבדו יחד עם מפתחים כדי להגדיר את האלגוריתם שיהיה יעיל בפתרון הבעיות שעניינו אותם.

כך גם בתחום המחשב הקוואנטי, החברות הגדולות עובדות עם הצוותים שבונים את המחשב כדי להחליט, לדוגמה, אילו שגיאות יהיה "מותר" למחשב לעשות ואילו סוגי שגיאות יהפכו את פלט המחשב לחסר ערך.

"חברות התרופות הגדולות, כמו גם הבנקים הגדולים ורוב חבר ות הענק בכל התחומים, מעסיקות אנשים שמבינים במחשבים קוואנטיים", אומרת אהרונוב. "חברות שיחכו עד שמחשבים קוואנטיים יהיו מוכנים, ורק אחר כך יחשבו מה לעשות איתם, עלולות לאבד את ההובלה בתחום העיסוק שלהן".