תיקון שגיאות קוונטי: המחסום שמפריד בין הדגמה מרשימה למחשב שימושי

כשחברה מכריזה על מעבד קוונטי חדש, המספר שמככב בכותרת הוא כמעט תמיד מספר הקיוביטים. זהו גם המספר שמסביר הכי מעט. המדד שקובע אם מכונה מסוגלת לעבוד הוא שיעור השגיאה, והדרך להתמודד איתו נקראת תיקון שגיאות קוונטי.

הפער בין שני המדדים מסביר למה מכונות עם מאות קיוביטים קיימות כבר שנים, ובכל זאת החישוב המסחרי הרגיל ממשיך לרוץ על שרתים רגילים.

למה קיוביט טועה כל כך הרבה

ביט במחשב רגיל יציב להפליא. שיעור השגיאה שלו נמוך עד כדי כך שאפשר להתעלם ממנו ברוב היישומים. קיוביט מתנהג הפוך: הוא מחזיק מצב עדין שמתפרק מכל הפרעה חיצונית, ומאבד את המידע תוך מיקרו-שניות עד מילי-שניות, תלוי בשיטה.

מקורות ההפרעה מגוונים: קרינה קוסמית, רעש חשמלי, רטט מכני ואפילו חום שנפלט מהחיווט עצמו. לכן המעבדים יושבים בתוך מערכות קירור מדורגות, ולכן הקירור הפך למחסום הנדסי בפני עצמו. IBM דיווחה השנה שהיא פתרה בעיית קירור שעצרה את הדרך למכונות גדולות.

מעבר לאובדן המידע, יש סוג שגיאה שני: פעולה שמופעלת על הקיוביט מבוצעת בדיוק חלקי. גם סטייה זעירה מצטברת לאורך אלפי פעולות, עד שהתוצאה הופכת לרעש.

קיוביט פיזי מול קיוביט לוגי

הפתרון שאומץ בענף הוא יתירות. במקום להסתמך על קיוביט בודד, מקבצים קבוצה שלמה של קיוביטים פיזיים ומפעילים עליהם קוד מתמטי שמזהה שגיאות ומתקן אותן תוך כדי ריצה. הקבוצה כולה מתפקדת כקיוביט אחד אמין, שנקרא קיוביט לוגי.

היחס בין השניים הוא לב העניין. לפי ההערכות המקובלות נדרשים עשרות ולעיתים מאות קיוביטים פיזיים לכל קיוביט לוגי, והיחס משתנה לפי איכות החומרה. חומרה טובה יותר מורידה את המחיר הזה, וזו הסיבה שחברות משקיעות בשיפור הדיוק במקום להתחרות במספרים בלבד.

המשמעות המעשית ברורה: מכונה עם אלף קיוביטים פיזיים עשויה להחזיק כמה קיוביטים לוגיים בודדים. אלגוריתם מסחרי רציני דורש הרבה יותר מזה.

הסף שמחליט אם התיקון עובד

לתיקון שגיאות יש תנאי כניסה. כל עוד שיעור השגיאה של הרכיבים גבוה מערך מסוים, הוספת קיוביטים לתיקון מוסיפה יותר שגיאות משהיא מתקנת, והמערכת מידרדרת. ברגע שהחומרה חוצה את הסף הזה, המצב מתהפך: כל הרחבה של הקוד מקטינה את שיעור השגיאה.

• הקוונטים הישראלי: למה כאן בחרו לבנות את התשתית ולא את המחשב עצמו
• הקוונטים מול ההצפנה: למה בנקים וממשלות כבר מחליפים את המנעולים של האינטרנט

זהו הרגע שהענף מחכה לו, מפני שהוא הופך את הבעיה מבעיה מדעית לבעיה של קנה מידה והנדסה. חציית הסף היא גם הסיבה שהכרזות על שיפור דיוק מזיזות מניות יותר מהכרזות על תוספת קיוביטים.

איך לקרוא הכרזה של חברה

שלושה נתונים מפרידים בין הודעה שיווקית להתקדמות אמיתית. הראשון הוא שיעור השגיאה בפעולה על שני קיוביטים, המדד המחמיר ביותר. השני הוא משך הזמן שהמערכת שומרת על המידע. השלישי הוא מספר הקיוביטים הלוגיים שהמכונה מחזיקה בפועל.

נתון רביעי הצטרף בשנה האחרונה: היכולת לאמת את התוצאה. IBM הדגימה מקרה שבו מחשב קוונטי פתר בעיה מורכבת וגם הוכיח שהתשובה נכונה, וזה שינוי משמעותי מול הדגמות קודמות שהיה קשה לבדוק באופן עצמאי.

איך המחשוב הרגיל פתר את אותה בעיה

הרעיון של תיקון שגיאות מוכר גם בעולם הרגיל. זיכרון בשרתים משתמש בשיטות שמזהות ומתקנות היפוך של סיביות בודדות, ותקשורת ספרתית מוסיפה מידע עודף כדי לשחזר חבילות שנפגעו בדרך. העיקרון זהה: שולחים יותר מידע ממה שנדרש, ומשתמשים בעודף לזיהוי טעויות.

ההבדל הוא בעלות. בעולם הרגיל התוספת מסתכמת באחוזים בודדים מהחומרה. בעולם הקוונטי היא מכפילה את הכמות פי עשרות, מפני שקיוביט ניתן למדידה בדרכים עקיפות בלבד. מדידה ישירה הורסת את המצב שרצינו לשמור, ולכן הקוד מודד תכונות משותפות של קבוצת קיוביטים במקום את הקיוביט עצמו.

מי קרוב יותר לסף

לשיטות השונות יש נקודות פתיחה שונות. יונים לכודים מציגים היסטורית את הדיוק הגבוה ביותר בפעולות, אבל פועלים לאט יחסית ומתקשים בהגדלת המערכת. מעגלים על-מוליכים מהירים בהרבה ומתרחבים בקלות רבה יותר, ובתמורה נאבקים על דיוק וקירור.

אטומים ניטרליים ופוטונים מציעים דרכים לעקוף חלק מהמגבלות, וכל אחת מהן עדיין מוכיחה את עצמה. התוצאה היא שהענף מנהל במקביל כמה מרוצים שונים, וקשה לקבוע מי מוביל בלי לציין באיזה מדד מדובר.

למה זה קובע את התמחור

כל תזת ההשקעה בענף נשענת על השאלה מתי יגיע מחשב עם מספיק קיוביטים לוגיים לפתור בעיה בעלת ערך כלכלי. הזזה של חמש שנים בהנחה הזו משנה לחלוטין את הערך הנוכחי של חברות שמפסידות היום עשרות ומאות מיליוני דולרים בשנה.

גם חברות שבנו את עצמן על גישות ממוקדות יותר נעות לכיוון הזה. D-Wave, שהתמחתה באנילינג קוונטי, הציבה יעד להגיע לקיוביטים לוגיים, מהלך שממחיש שהמדד הזה הפך לשפה המשותפת של הענף כולו.

עבור מי שעוקב אחרי הסקטור, ההמלצה המעשית פשוטה: לעקוב אחרי מפות הדרכים שהחברות מפרסמות, ולבדוק בכל רבעון אם היעדים נדחו. דחייה חוזרת של יעד היא האינדיקציה המוקדמת ביותר לכך שההנחות בבסיס התמחור זקוקות לעדכון.

מה זה משנה למי שמחוץ לענף

ההשלכה המיידית ביותר נוגעת להצפנה. אלגוריתם שור, שמאיים על שיטות ההגנה הנפוצות, דורש מספר גדול של קיוביטים לוגיים יציבים. כל התקדמות בתיקון שגיאות מקרבת את המועד הזה, ולכן גופים פיננסיים וממשלתיים כבר מחליפים תקני הצפנה מבעוד מועד.

ההשלכה השנייה כלכלית. חברות תרופות וחומרים בוחנות היום שיתופי פעולה עם ספקיות קוונטים, ורובן מתנות התקשרות רחבה בהגעה לרף מסוים של אמינות. הרף הזה מוגדר בקיוביטים לוגיים, ולכן ההתקדמות בתיקון השגיאות היא שקובעת מתי ייפתחו תקציבי הלקוחות הגדולים.