92% לפח, 8% כמעט מושלמים: כך גוגל הורידה פי 40 שגיאות במחשב קוונטי
מחשב קוונטי שמסוגל לפתור בעיות אמיתיות צריך לבצע סוג מסוים של פעולות, שמחשב רגיל לא יודע לחקות ביעילות. כדי לבצע אותן הוא זקוק למשאב מיוחד שנקרא "מצב קסם", ובמשך שני עשורים זה היה אחד מצווארי הבקבוק הגדולים בתחום: הייצור של מצבי קסם נקיים משגיאות דורש כמות עצומה של חומרה. צוות Google Quantum AI דיווח בכתב העת Science שהצליח לייצר מצבי קסם בשיטה זולה בהרבה, על המעבד הקוונטי Willow של החברה, והוריד את השגיאות בהם פי 40.
"ייצור מצבי קסם באיכות גבוהה, עם תיקון שגיאות, דורש משאבים עצומים", כתבו החוקרת אמה רוזנפלד ומהנדס התוכנה הקוונטית קרייג גידני מגוגל, בפוסט שבו הציגו את המחקר. לפי ההערכות שהם מצטטים, עד 95% מהיכולת של מחשב קוונטי עלולים להיות מוקדשים לייצור מצבי הקסם, כך שנשאר מעט מאוד מקום לחישוב עצמו. מצב קסם גם נשרף בשימוש: אחרי שמשתמשים בו פעם אחת, צריך לייצר חדש.
מה זה מצב קסם ולמה הוא כל כך יקר
היחידה הבסיסית של מחשב קוונטי היא הקיוביט. בניגוד לביט רגיל, שהוא 0 או 1, קיוביט יכול להחזיק שילוב של שני המצבים, ובזה טמון הכוח של המחשב. הבעיה היא שקיוביטים רגישים מאוד: שינוי קטן בטמפרטורה או רעש חשמלי משבש אותם. לכן התחום כולו עסוק בתיקון שגיאות, שיטה שבה פיסת מידע אחת נפרסת על הרבה קיוביטים פיזיים, כך שאפשר לזהות טעות ולתקן אותה. הקבוצה הזו של קיוביטים, שפועלת יחד כיחידה מוגנת אחת, נקראת קיוביט לוגי. בקוד מהסוג שגוגל משתמשת בו, קיוביט לוגי אחד בגודל בינוני דורש כמה עשרות קיוביטים פיזיים, ולכן כל פעולה שמתבצעת על קיוביטים לוגיים יקרה בהרבה מפעולה על קיוביט בודד.
תיקון השגיאות מגן היטב על הפעולות הפשוטות, אבל פעולות מסוג מסוים, שבלעדיהן אין למחשב קוונטי יתרון על מחשב רגיל, לא מוגנות באותה שיטה. הפתרון המקובל הוא לייצר מראש מצב קוונטי מיוחד, מצב הקסם, ולצרוך אותו בזמן הפעולה. הדרך הסטנדרטית לייצר מצבי קסם נקיים הוצעה כבר ב-2004 ונקראת זיקוק: לוקחים הרבה מצבים רועשים ומזקקים מהם מעט מצבים נקיים. זה עובד, אבל דורש "מפעלים" שלמים של קיוביטים שלא עושים שום דבר אחר.
ב-2024 הציעו גידני ועמיתיו בגוגל, נועה שאטי וקודי ג'ונס, דרך אחרת שקיבלה את השם "גידול" (cultivation). במקום מפעל, השיטה פועלת כמו מסננת: מכניסים מצב רועש לאזור קטן בשבב, מריצים סדרה של בדיקות מתואמות, וכל ניסיון שבו נמצאה שגיאה נזרק ומתחיל מחדש. הניסיונות ששורדים את כל הבדיקות "גדלים" בהדרגה למצב נקי מאוד, ובאותו זמן מועברים לקידוד גדול יותר שאפשר להשתמש בו בהמשך החישוב. על הנייר זה נראה מצוין. עד עכשיו איש לא הראה שזה עובד על חומרה אמיתית.
מה הראה הניסוי על השבב
לפי המאמר, הגידול על Willow הוריד את השגיאה במצבי הקסם פי 40 בהשוואה למצבים שלא עברו את התהליך, והנאמנות של המצבים, מדד שבודק עד כמה המצב שהתקבל קרוב למצב המבוקש, הגיעה ל-99.99% לפחות. "הגידול מוריד את השגיאה פי 40", כתבו החוקרים במאמר. המחיר מופיע באותה שורה: 8% בלבד מהניסיונות עברו את כל הבדיקות. 92% נזרקו.
הדרך לתוצאה לא הייתה ישרה. לפי הפוסט של גוגל, בשלב מסוים רוזנפלד ראתה בניסויים נתונים שנראו כאילו הם סותרים את חוקי הפיזיקה. אחרי חודשים של בלבול, סימולציות ובדיקות, התברר שהבעיה הייתה בהנחה שגויה בשיטת המדידה שהצוות השתמש בה: סוג של רעש במעבדה, שנבע מסחיפה של ציוד חשמלי ומשינויי טמפרטורה, פגע באמינות של המדידה. "הפתרון דרש שינוי כיוון גם בגישה התיאורטית וגם בגישה ההנדסית", כתבו החוקרים. הם הוסיפו למערכת בקרה שמצמצמת את השפעת הרעש, ופיתחו שיטת מדידה חדשה שמשתמשת בגידול עצמו כדי למדוד את איכות התוצאה, עם הרבה פחות מדידות משנדרש קודם.
חלק נוסף בניסוי בדק אם אפשר להעביר את מצב הקסם הנקי לקידוד הסטנדרטי של מחשבים קוונטיים. הגידול עובד הכי טוב בסוג אחד של קוד לתיקון שגיאות, שנקרא קוד צבע, אבל רוב התכנון של גוגל נשען על סוג אחר, קוד משטח. הצוות "השתיל" מצב מקוד צבע קטן לקוד משטח גדול יותר, והראה שהמצב שורד את המעבר. "בסך הכול, תוצאות ההשתלה מראות הוכחת היתכנות לכך שמצב קסם יכול לעבור לקוד יתרוני", נכתב במאמר.
"זו הדגמה על חומרה אמיתית לכך שאנחנו יכולים לייצר ביעילות את מצבי הקסם החיוניים האלה", כתבו רוזנפלד וגידני. מחשבים קוונטיים כבר מצליחים לבצע ניסויים מדעיים שקשה לחקות על מחשב רגיל. להרחבה: מחשב קוונטי הראה איך חלקיקים חדשים נוצרים מאנרגיה.
- מניית הקוונטים שבוול סטריט צופים לה אפסייד של כמעט 70%
- די-ווייב מאריכה הסכם עם מפעל שבבים ששייך למתחרה IonQ
מה זה אומר על ההצפנה
גידני עצמו פרסם ב-2025 הערכה שלפיה מחשב קוונטי עם פחות ממיליון קיוביטים רועשים יוכל לפצח מפתח הצפנה מסוג RSA באורך 2,048 ביט בפחות משבוע. ב-2019 הוא העריך, יחד עם שותף, שיידרשו לכך 20 מיליון קיוביטים. אחד הגורמים העיקריים לירידה הדרמטית הוא בדיוק גידול מצבי הקסם, שמקטין את השטח שצריך להקדיש למפעלי הזיקוק. ההדגמה החדשה מראה שהרכיב הזה, לפחות בקנה מידה קטן, עובד בפועל.
מצד שני, המרחק עדיין גדול. Willow כולל 105 קיוביטים, הרחק מהמיליון שנדרשים לפי ההערכה, ופיצוח הצפנה דורש מצבי קסם נקיים הרבה יותר מאלה שהושגו בניסוי. בנקים, ממשלות וחברות טכנולוגיה כבר עוברים בהדרגה לשיטות הצפנה חדשות שאמורות לעמוד גם מול מחשב קוונטי. להרחבה: הקוונטים מול ההצפנה: למה בנקים וממשלות כבר מחליפים את המנעולים של האינטרנט.
המגבלות ומה הלאה
החוקרים עצמם מדגישים שמדובר בצעד ראשון. "ברור שעוד צריך להדגים גידול של מצבי קסם בקנה מידה גדול יותר כדי שזה יהיה מעשי למחשוב קוונטי שימושי, ונשארו לא מעט אתגרים טכנולוגיים", כתבו רוזנפלד וגידני. "אבל ההישג הזה לוקח רעיון תיאורטי מרכזי והופך אותו למציאות שהודגמה בניסוי". ההשתלה לקוד המשטח מוגדרת במאמר כהוכחת היתכנות, ולא כמימוש מלא. גם שיעור ההצלחה של 8% פירושו שהשבב מבזבז את רוב הניסיונות, וצריך לבדוק איך זה משפיע על הקצב כשחישוב שימושי צורך מספר עצום של מצבי קסם.
גוגל לא לבד במרוץ. IBM, קוונטינום ושורה של חברות צעירות מנסות לפתור את אותן בעיות בדרכים שונות, וכל אחת מציגה התקדמות בתחום אחר: מספר קיוביטים, איכות, קירור או תוכנה.
