זינוק קוונטי: מחשבים קוונטיים עוד רגע כאן

למה צריך לדבר על מחשבים קוונטיים? כדי לענות, דמיינו את המחשב הביתי הכי עוצמתי שאתם יכולים לתאר. כזה שיכול להפעיל משחקים תובעניים בלי זמני טעינה או להריץ חישובים מורכבים בשניות.

דמיינתם? מעולה. עכשיו, דמיינו מחשב עוצמתי פי 100 סקסטיליון – אחד עם 23 אפסים אחריו. זה לא מדע בדיוני. זהו יחס העוצמה בין מחשב ביתי מתקדם למחשב קוונטי בשם Juizhang 2 שפותח בסין, ושדבר קיומו פורסם לאחרונה.

יחס בלתי נתפש זה הוא הסיבה שבגללה כדאי – סליחה, חובה – לדבר על מחשבים קוונטיים.

כיום קיימים מחשבים קוונטיים בודדים. רובם בבעלות אוניברסיטאות, ארגונים ממשלתיים או מובילות טכנולוגיות כמו גוגל ויבמ. הפוטנציאל שמחשבים אלו מפגינים הוא אטומי! למשל, המחשב הקוונטי של גוגל ב-2019 ביצע ב-200 שניות חישוב שמחשב על בן זמננו היה מבצע ב-10,000 שנים

איך אטום אחד מעז: 0 ו-1, סיפור אהבה

כמו כל ההמצאות הגדולות, גם המחשב הקוונטי התחיל מצורך. מתחילת השימוש באלקטרוניקה, הצורך לפתח רכיבים קטנים יותר הוא מוטיב חוזר. זאת מאחר שרכיבים קטנים דורשים פחות חומרי גלם, זולים יותר לייצור ושינוע, נוחים יותר לשימוש ועוד.

איך זה קשור למחשבים קוונטיים? כדי להבין, יש להכיר תחילה את יחידת היסוד שבבסיס כל מכשיר אלקטרוני – הטרנזיסטור או משדר. ניתן למצוא אותם בשלטי טלוויזיה, חלליות וכל מה שבאמצע. 

המשדר הוא מעין מפסק שמטרתו להעביר מידע או לחסום אותו – מצב 0 או מצב 1. ככל שהמכשיר והיישומים שהוא מריץ מורכבים יותר, כך יותר משדרים ייצרו יותר צמתי 0/1. למשל בחללית של נאס"א, שמריצה עשרות אלפי חישובים בדקה, יהיו אלפי משדרים. המשדרים פועלים באופן סיריאלי – בזה אחר זה. רק אחרי שמשדר א' סיים את החישוב, משדר ב' יכול להתחיל את שלו. ביישומים מורכבים המבנה הסיריאלי הוא אחד הגורמים לאיטיות.

כיום האנושות נסמכת יותר ויותר על טכנולוגיה. הצורך במשדרים קטנים קריטי מתמיד. משדר ממוצע בן זמננו הוא בגודל של כ-14 ננו מטר – קטן פי 500 מתא דם אנושי ומתקרב לגודל של אטום. ועד כמה שזה מרשים, כאן טמונה הבעיה. כי בגדלים מזעריים שכאלו חוקי הפיזיקה משתנים, מה שמשנה לחלוטין את התנהגות המשדרים והמידע שהם מעבירים. 

איך ממשיכים מכאן לפתח? כמו שאומרים אצלנו בהיי-טק: זה לא באג, זה פיצ'ר. כי מחשב שיכול לפעול בתנאים הפיזיקליים הייחודיים של עולם החלקיקים המזעריים יכול לפתוח עולם של אפשרויות.

ישנה את העולם לחלוטין? מחשוב קוונטי. אילוסטרציה. צילום: אילוסטרציה. BigStock

להפוך את הבאג לפיצ'ר: ברוכים הבאים לממלכה הקוונטית

בשלב זה ראוי לציין מהו המידע שהמשדרים מעבירים. מדובר באלקטרונים, חלקיקים שנושאים מטען חשמלי שיכול להיות חיובי או שלילי. הם חייבים להיות במצב 1 או מצב 0 – אחד מהשניים. 

ההוגים הראשונים של המחשבים הקוונטיים הבינו שכאן טמון הפתרון: במקום להתבסס על אלקטרונים (שחייבים להיות במצב 1 או 0), המחשוב הקוונטי מבוסס על פוטונים. חלקיק זה מזוהה בעיקר עם אור, ויש לו תכונה מאוד מיוחדת – הוא יכול להיות בכמה מקומות במקביל. לפיכך, מצבו של פוטון במחשב קוונטי איננו בהכרח מספר אבסולוטי כמו 1 או 0. מצבו יותר דומה להסתברות, ספקטרום, או תמהיל של שני המצבים. לדוגמה, פוטון יכול להיות ברגע מסוים 70% במצב 1 ו-30% במצב 0. רגע אחר כך יהיה 20% במצב 1 ו-80% במצב 0. 

 מבולבלים? זה בסדר. גם החוקרים המבריקים ביותר לא מתיימרים להבין את מכניקת הקוונטים במלואה. השאלה האמיתית היא איך זה עוזר לנו?

בין תיאוריה למציאות: לאן מחשבים קוונטיים יביאו אותנו?

כיום קיימים מחשבים קוונטיים בודדים. רובם בבעלות אוניברסיטאות, ארגונים ממשלתיים או מובילות טכנולוגיות כמו גוגל ויבמ. הפוטנציאל שמחשבים אלו מפגינים הוא אטומי! למשל, המחשב הקוונטי של גוגל ב-2019 ביצע ב-200 שניות חישוב שמחשב על בן זמננו היה מבצע ב-10,000 שנים. 

איך כוח חישוב עוצמתי שכזה עשוי לשרת את האנושות? דוגמה מצוינת לתועלת של מחשבי על מגיעה מעולם הרפואה. כוח החישוב של מחשב קוואנטום יוכל לעזור במחקר מולקולרי של מחלות ולעזור לקדם מציאת מרפא גם למחלות הקשות ביותר, כולל סרטן או אלצהיימר. 

ניתן לרתום כוח חישוב עוצמתי שכזה גם לשיפורי תחבורה. חברת פולקסווגן, לדוגמה, עורכת בימינו מחקר על בבייג'ינג, במסגרתו מנוטרות כ-10,000 מוניות בעיר. המידע שיאסף יעובד על ידי המחשב הקוונטי של חברת D-Wave הקנדית (מחלוצות התחום), מתוך מטרה למצוא פתרונות להפחתת עומס התנועה בעיר. 

בעולם הבנקאות והפיננסים גם מתעניינים מאוד במחשבים קוונטיים. אי הוודאות של הפוטונים היא הבסיס התיאורטי למערכות הצפנה אישיות כמעט בלתי ניתנות לפריצה. חשבונות בנק צפויים להיות מוגנים יותר, וכך גם פעולות נוספות שנבצע אונליין, כמו רכישות או הרשמה לאתרים.

יכולת זו מעניינת מאוד גם צבאות וגופים ביטחוניים שמשקיעים מיליארדים בטכנולוגיות הצפנה ואבטחת מידע. 

רשימה חלקית מאוד זו של יישומים למחשוב קוונטי כבר הופכת מתיאוריה למציאות. למעשה, חוקרים ואנשי מקצוע רק מתחילים להבין את גודל הפוטנציאל. למשל ישנן כבר תיאוריות שמציעות שבעזרת מיחשוב קוונטי המרחק יהפך לבלתי רלוונטי מבחינת העברת מידע, וניתן יהיה להעביר קבצים ענקיים בהרף עין לאזורים מרוחקים בעולם ומחוץ לו, בין הכוכבים. 

האם השלב הבא יאפשר לא רק העברה של קבצים אלא גם מטענים פיזיים, ואולי אפילו בני אדם, בדומה למכשירי טלפורטציה במסע בין כוכבים? כמו שהדברים נראים עכשיו – זו בהחלט יכולה להיות אפשרות.

הכותב כיהן כמנמ"ר מימון ישיר וכיום משמש כיועץ טכנולוגי לארגונים ומנכ"ל חברת הייעוץ New Advice