המומחה הישראלי לקוואנטים - "המחשב הקוואנטי יהיה בשימוש משמעותי כבר ב-2030"

אנחנו בעיצומה של מהפכת ה-AI, אבל כולם כבר רואים את המהפכה הבאה שאומרים שתהיה אפילו גדולה יותר - מהפכת המחשוב הקוואנטי. ענקיות הטק ובמיוחד גוגל ו-IBM מובילות את המירוץ ויש שורה של חברות עם פעילות יחסית קטנה, שמהוות חלק מהקבוצה המובילה ועל זה הן מקבלות בוול סטריט שווים של מיליארדים רבים. הקוואנטים הוא תחום חם באקדמיה, מתחיל להיות חם בתעשייה, ולוהט בוול סטריט.

מספרים לנו שהמחשוב הקוואנטי יידע למצוא נוסחאות מהירות לתרופות, יפתור בעיות שעד היום לא היו פתירות ובעיות נוספות, בשל העובדה שהכוח החישובי שלו עולה פי מאות אלפים על המחשב הקלאסי. נפגשנו לשיחה עם פרופ' ירון עוז ראש המרכז למדע וטכנולוגיה קוואנטית באוניברסיטת תל אביב. 

עוז כחוקר מוביל בתחום אומר שישראל על המפה, אבל לא בפיתוח המחשבים עצמם אלא בממשקים שייהיו חלק מהפלטפורמה הכוללת של מחשוב קוואנטי. מהו מיחשוב קוונטי, כיצד הוא עובד ומהי הבשורה בו?

"מחשב קלאסי מבוסס על פיזיקה קלאסית שהינה דטרמיניסטית, ומתארת היטב את הדינמיקה של מערכות גדולות כמו מכוניות, חלליות, ומטוסים. הפעולות של מחשב קלאסי ברורות לנו: המחשב עובד עם ביטים הנמצאים במצבי  0 או 1, וכשמבצעים חישוב כגון חיבור שני מספרים, מתקבלת תוצאה אחת. אם נסתכל במצבו של מחשב קלאסי בכל שלב של החישוב, נראה אפסים ואחדים בשרשרת ארוכה, ובכל שלב של החישוב  מתבצעת פעולה כלשהי על שרשרת זו.

• אנבידיה מסתערת על המיחשוב הקוואנטי
• המלצת המערכת: כל הכותרות 24/7

"מחשב קוונטי, מבוסס על פיזיקה קוונטית- הפיסיקה שמתארת חלקיקים זעירים, כגון אלקטרונים או פוטונים. החוקים של הפיזיקה הקוונטית שונים מאד מחוקי הפיזיקה הקלאסית. בניגוד לחלקיק הקלאסי, החלקיק הקוונטי לא חייב להיות במצב אחד, אלא יכול להיות במספר מצבים בו-זמנית. את הביט במחשב הקלאסי שנמצא במצב 0 או 1, מחליף במחשב הקוונטי הקיוביט שיכול להיות בסופרפוזיציה של 0 ו-1 כלומר, הקיוביט יכול להימצא בו-זמנית גם ב-0 וגם ב-1. כאשר נבצע מדידה של הקיוביט, אנחנו נקבל תוצאה אחת שהיא הסתברותית – בהסתברות מסויימת נקבל 0 ובהסתברות אחרת ( שיכולה להיות זהה) נקבל 1. האפשרות להימצא בסופרפוזיציה מאפשרת סוג של מקביליות חישובית -  במקום לבצע חישוב באופן טורי, נבצע חישוב מקבילי על אוסף מצבים.

"אם חלקיק קלאסי רוצה לנוע ממקום א' למקום ב', הוא ינוע במסלול אחד, הקצר ביותר. כך המחשב קלאסי מתקדם בחישוב. לעומת זאת, החלקיק הקוונטי ינוע בכל המסלולים בו-זמנית, ובכל פעם שנמדוד אותו, נמצא אותו במקומות השונים בהסתברות הניתנת לחישוב. כך גם מתבצע החישוב במחשב הקוונטי. המחשב הקוונטי איננו שדרוג של המחשב הקלאסי, אלא משהו אחר לחלוטין. הבנייה של המחשבים האלה היא מורכבת - צריך לשמור את הקיוביטים במצבים קוונטיים עד המדידה. לשם כך חברת גוגל, למשל, מחזיקה את יחידת החישוב הקוונטי בטמפרטורות נמוכות מאד.

"תכונה אחרת ייחודית לעולם הקוואנטי היא השזירה, או באנגלית: entanglement. כדי להסביר זאת נחשוב למשל על הניסוי הבא. ניקח שני כדורים בשני צבעים שונים, אדום וכחול, ונשים אותם על השולחן. נאמר לשני אנשים לעצום עיניים ולקחת כדור אחד. לאחר מכן נשלח אותם למקומות מרוחקים. אדם אחד פותח את היד, רואה אדום, ומסיק כי בידי השני נמצא הכדור הכחול. זו נקראת קורלציה קלאסית. בניסוי דומה במכניקה הקוונטית, הצבע לא נקבע עד שהאדם יפתח את היד, כי הכדורים נמצאים בסופרפוזיציה, כלומר שני הכדורים נמצאים בו זמנית באותו הצבע. לאחר שפתח את היד (מדידה בשפה הקוונטית) נקבע אצלו צבע כלשהו, וזה מאלץ את הצבע האחר אצל האדם השני, למרות שאין ביניהם תקשורת. משמעות הדבר במחשב קוונטי היא שניתן להשפיע על האלגוריתם על ידי פעולה בחלק אחר של התוכנה, כיוון שהקיוביטים שזורים. בנוסף, ברשת תקשורת קוונטית, המחשבים הקוונטיים בתחנות השונות יחוברו על ידי שזירה.

• סטארטאפ הספורט-טק Marquee גייס 1.2 מיליון דולר
• אפל תקיים אירוע ב־4 במרץ - בדרך להשקה משמעותית?
• תוכן שיווקי שוק הסקנדרי בישראל: הציבור יכול כעת להשקיע ב-SpaceX של אילון מאסק
• יסמין לוקץ': ״יש בום של סטארטאפים - יזמים שחזרו מהמילואים...

"תכונה אחרת ייחודית לעולם הקוונטי היא אי היכולת להעתיק. בעולם הקלאסי אין מגבלה על מספר העותקים של מסמך כתוב, אודיו או וידאו. במכניקה הקוונטית למצב הקוונטי יש עותק אחד בלבד, ואי אפשר לשכפל אותו. אם נאזין לערוץ תקשורת קוונטית, נשמיד את ההודעה, כי אין אפשרות לשכפל אותה -  אי אפשר להאזין. זהו הבסיס לחסינות ערוץ תקשורת קוונטי.

"המעבר לטכנולוגיה קוונטית אינה שדרוג של המחשוב הקלאסי, אלא פיזיקה אחרת ומתמטיקה אחרת לחלוטין, ולכן יש לה יכולות פוטנציאל לפתור בעיות שמחשב קלאסי לא יכול. מחשב קוונטי יכול לפצח את ה-RSA, שזו שיטת ההצפנה הסטנדרטית שנמצאת באינטרנט היום, ומבוססת על בעיה בתורת המספרים של פירוק מספר גדול לגורמים ראשוניים. עד היום לא נמצא אלגוריתם קלאסי, שיכול לפצח לפתור בעיה זו בזמן ריאלי, אבל מחשב קוונטי יכול.

היכן הוא יכול לתרום ואילו בעיות הוא צפוי לפתור?

"המחשב הקוונטי עשוי לתרום בתחומים רבים כגון: כימיה, ביולוגיה ופיתוח תרופות, בעיות אופטימיזציה בתעשייה,  בתחום הפיננסים ועוד.  כך למשל, הבנת מולקולות בכימיה על מנת להשתמש בהן לגילוי תרופות דורשת הבנה של רמות האנרגיה והמצבים הקוונטיים של המולקולות.  מחשב קוונטי יוכל לעשות את החישובים הנדרשים באופן יעיל יותר, כאשר הוא משתמש בסופרפוזיציה ובשזירה.

"מחשב קוונטי יכול להיות יעיל בפתרון בעיות מרובות דאטה. במחשב הקלאסי שרשרת של  N ביטים מאחסנת N אפסים ואחדים. לעומת זאת, N קיוביטים מחזיקים 2 בחזקת N  מצבים בגלל השזירה, ולכן למחשב הקוונטי יש פוטנציאל לעבד כמויות עצומות של מידע.

האם יש מקומות בעולם או תעשיות בהם מיחשוב קוונטי כבר נמצא בשימוש?

"בשנות ה-80 החלו לחשוב על מחשוב קוונטי, אבל הטכנולוגיה התפתחה בעיקר בעשור האחרון, ונבנתה היכולת לשלוט בקיוביטים ולבצע חישובים באמצעותם. מאידך, בגלל הקושי לבודד את המערכת הקוונטית מהסביבה הקלאסית, השגיאות של המחשב גדולות, והוא עדיין לא יכול לבצע חישובים מאוד מדויקים. האתגר של כל החברות שעוסקות במחשוב קוונטי הוא להקטין את השגיאות. אם השגיאה יורדת מתחת לסף מסוים, אפשר להשתמש בקוד קוונטי לתיקון שגיאות על מנת להגיע לדיוק גבוה, וזה מה שמתפתח כעת - הורדת השגיאה מתחת לסף. יש חברות המצהירות שהן קרובות לסף לתיקון שגיאות, וכן מדווחות על יכולות להגדיל באופן ניכר את מספר הקיוביטים. ההערכה היא שבשנת 2030 יהיו מחשב קוואנטים עם עליונות על המחשב הקלאסיים החזקים ביותר.

מה מקומה של ישראל בקידום המחקר המחשוב הקוואנטי או היכן יש את המעבדות המתקדמות בעולם?

מחקרים רבים מתבצעים  בארה"ב ובסין, וזה קשור להשקעות ממשלתיות רבות בסין - מחצית הסכום שמושקע על ידי ממשלות בעולם בתחום המחשוב הקוואנטי - ולהשקעות פרטיות בארה"ב של חברות פרטיות דוגמת גוגל, אמאזון או IBM. בישראל קמו כבר סטרטאפים שעוסקים בעיקר בפיתוח חלקים של  מחשבים קוואנטים - התשתיות והמשאבים לבניית מחשבים קוונטיים שלמים עדיין מוגבלות.

סיכונים אפשריים לתעשייה? 

קיים החשש שמחשב קוואנטי יפרוץ את הצפנה הנמצאת בשימוש היום, ויהיה צורך להחליף את מערכות ההצפנה. כמו בכל טכנולוגיה מתקדמת, אפשר לפתור בעיות חשובות באמצעות מחשב קוונטי ואפשר גם לגרום לנזק.

אנחנו עדיין מנסים להתמודד עם מהפכת ה-AI, איך היא תתקיים לצד מחשוב קוואנטי?האם מחשוב קוואנטי יטרוף שוב את הקלפים בשוק העבודה למשל?

יש חיבור בין חישוב קוואנטי ל-AI: מערכות לומדות המבוססות על טכנולוגיה קוואנטית. מחשב קוואנטי לא צריך לפתור בעיה שמחשב קלאסי יכול לפתור באופן יעיל. החיבור הנכון בין הקלאסי לקוואנטי הוא שיתוף פעולה בין יחידות החישוב, וחלוקת מטלות נכונה בין שני סוגי המחשבים.