ידענים: מיחשוב קוונטי

מאת 21 בינואר 2010 18 תגובות

מדענים השתמשו במחשב קוונטי לשם חישוב האנרגיה המדויקת של מימן מולקולארי. גישה חלוצית זו להדמיות מולקולאריות תוכל להיות בעלת השלכות עמוקות לא רק עבור כימייה קוונטית, אלא גם עבור מגוון תחומים מדעיים

מחשב קוונטי. איור: יבמ

מחשב קוונטי. איור: יבמ

בשלב חלוצי חשוב של טכנולוגיה חדשנית, מדענים השתמשו במחשב קוונטי לשם חישוב האנרגיה המדויקת של מימן מולקולארי. גישה חלוצית זו להדמיות מולקולאריות תוכל להיות בעלת השלכות עמוקות לא רק עבור כימייה קוונטית, אלא גם עבור מגוון תחומים מדעיים, החל מהצפנה (קריפטוגרפיה) ועד מדעי-החומרים.

"אחת מהבעיות הרציניות ביותר העומדות בפני כימאים תיאורטיים הינה כיצד לקבל הדמיות מדויקות של מערכות כימיות," אומר המדען Alán Aspuru-Guzik, פרופסור לכימיה וביולוגיה כימית באוניברסיטת הרווארד. "זו הפעם הראשונה שמחשב קוונטי משמש לקבלת חישובים מדויקים אלו."

המחקר, המתואר בכתב-העת המדעי Nature Chemistry, הינו פרי שיתוף פעולה בין צוות של כימאים תיאורטיים מאוניברסיטת הרווארד וקבוצת פיסיקאים ניסיוניים מאוניברסיטת קווינסלנד אשר באוסטרליה. הצוות בהרווארד הוביל את התכנון הניסיוני וביצע חישובים מרכזיים, בעוד ששותפיהם מאוסטרליה בנו את המחשב הפיסיקלי וערכו בפועל את הניסויים. "אנו היינו אנשי התוכנה," אומר החוקר הראשי מהרווארד, "ושותפינו היו אנשי החומרה."

בעוד שמחשבי-על מתקדמים מסוגלים לבצע חישובים מקורבים של מערכות מולקולאריות פשוטות יחסית, הגדלת נפח המערכת הנבחנת גורמת להגדלה מעריכית (אקספוננציאלית) בזמן החישוב. חישוב קוונטי הינו יעיל בזכות יכולתו לפתור סוגים מסוימים של בעיות שהינן בלתי-פתירות ע"י מחשבים רגילים.
במקום להשתמש בסיביות (ספרות בינאריות, binary bits) המתויגות כ"אפס" ו"אחת" לשם הצפנת מידע, כפי שמתרחש במחשבים רגילים, חישוב קוונטי מאחסן מידע בצורה של קיוביט המסוגל לייצג "אפס" ו"אחת" בו-זמנית (סיבית קוונטית, qubit, משמש כיחידת מידה למידע קוונטי, וגם לתיאור אלמנט אחסון המידע הקטן ביותר במחשב קוונטי. זהו האנלוג הקוונטי של הביט בתורת המידע הקלאסית. במחשב קוונטי, קיוביט הוא מערכת קוונטית בעלת 2 ממדים). כאשר מחשב קוונטי פועל, הוא לוקח בחשבון את כל הפתרונות האפשריים של הבעיה הנבחנת באמצעות סידור בו-זמני של הקיוביטים שלו בכל הצירופים הקיימים של "אפסים" ו"אחדות".

מאחר ורצף יחיד של קיוביט מסוגל לייצג מספרים שונים רבים, מחשב קוונטי יבצע הרבה פחות חישובים ממחשב רגיל בפתרון בעיות מסוימות. לאחר שהמחשב מסיים את עבודתו, מדידת הקיוביטים שלו מספקת את הפתרון.

"מאחר ויעילות החישוב המתגבר של מחשב רגיל מוגבלת, אם אתה מדמה מערכת המכילה יותר מארבעה או חמישה אטומים בלבד – לדוגמא, תגובה כימית, או אפילו פרודה מורכבת רק במעט – הבעיה הופכת למורכבת יותר ויותר במהירות," אומר אחד מהחוקרים. "חישובים מקורבים של מערכות כאלו הם המיטב שכימאים מסוגלים להשיג היום."

קבוצת המחקר התמודדה עם סוגיה זו באמצעות רעיון מושגי אלגנטי – "אם הדמיה של מערכת קוונטית באמצעות מחשב רגיל הינה מורכבת מדי," אומר החוקר הראשי, "מדוע לא לדמות מערכות קוונטיות באמצעות מערכת קוונטית אחרת?"

גישה זו תוכל, בתיאוריה, להוביל לחישובים מדויקים ביותר בעודה משתמשת רק במקצת מהמשאבים של מחשבים רגילים.

בעוד שמספר מערכות פיסיקליות אחרות יכולות לשמש כליבת המחשב, המדענים השותפים באוסטרליה השתמשו במידע המוצפן בשני פוטונים בכדי לבצע את ההדמיות שלהם עבור פרודת מימן. כל רמת אנרגיה שחושבה הייתה התוצאה של עשרים מדידות קוונטיות שכאלו, תוך קבלת מדד מדויק ביותר של כל אחד מהמצבים הגיאומטריים האפשריים של מימן מולקולארי.

"גישת חישוב זו מייצגת דרך חדשה לחלוטין לקבלת פתרונות מדויקים לשלל בעיות אשר נפתרות היום ברמה מקורבת בלבד," אומר החוקר הראשי. בסופו של דבר, אותו המחשב הקוונטי המסוגל להעביר צפנים באינטרנט יוכל לשמש גם לחישוב המבנה הנמוך ביותר באנרגיה של פרודות מורכבות כמו כולסטרול.

הידיעה מהאוניברסיטה

18 תגובות ל “מחשב קוונטי לחישוב האנרגיה של מימן”

  1. אהוד

    מירום

    ישנם חוקי טבע שהם כשמם חוקים ניתן כמובן להתעלם מכך ולקרוא לכך חשיבה מחוץ לקופסא אבל לדעתי אם לזה אתה קורא חשיבה מחוץ לקופסא הרי אין צורך במחשב קוונטי. בוא נבנה יחד מכונת זמן. ניתן למחשב לחשב משהו ניסע לעתיד ונראה מה התוצאה ואז נחזור לעבר ברגע בו הכנסנו את החישוב למחשב ונדע מה התוצאה ופתרנו כל בעיה ברגע בה אנחנו מציגים אותה. מגניב? אז זהו שלא, מדובר בשטויות לא בחשיבה מחוץ לקופסא.
    אם לא הבנת את כוונתי חשוב להבדיל בין טכנולוגיה, מדע ומדע בידיוני השלושה אינם שקולים. בתור אתגר של חשיבה מחוץ לקופסא כפי שאתה מכנה זאת נסה לבנות מכונת "פורפטום מובילה" המייצרת אנרגיה יש מאין.

  2. מירום גולן

    אהוד
    1. כמדומני, גם מהירות הקול נחשבה בעבר כבלתי ניתנת להשגה. וגם לגבי מהירות האור, ימצא בסופו של דבר איזשהו מצב שיהיה ניתן באמצעותו לעקוף מגבלה זו. ולזה קוראים חשיבה מחוץ לקופסא!
    2. הפריצה המשמעותית שנדרשת בינתיים היא דרך לקיים את יחידת החישוב בטמפרטורת החדר, אבל גם זו לדעתי תיפתר מתישהו.
    בקשר לרעיונות האחרים שהעלית- דווקא הם מחזקים את מה שאני אומר. בעבר חשבו X וכיום חושבים Y. זוהי בדיוק משמעותה של התקדמות והסקת מסקנות.

  3. אהוד

    מירום,

    אכן אני חוזר על אותם דברים שוב אך דומני שאתה אינך קורא אותם. אנסה לפשט:
    1.לא ברור האם קיימת הפיסיקה של מחשב קוונטי. יתכן כי מחשב קוונטי מקרוסקופי סותר את חוקי הפיסיקה. כמו שלא ניתן לעבור את מהירות האור יתכן כי לא ניתן לבנות מחשב קוונטי מקרוסקופי. אני מקווה כי אתה מבין שתנאי זה מגביל גם חשיבה מחוץ לקופסא.
    2.גם אם מחשב קוונטי אינו עומד בסתירה לחוקי הפיסיקה לא בטוח כי ניתן לבנות אותו טכנולוגית. בטכנולוגיה של היום די ברור כי לא ניתן לבנות אותו וכפי שכבר כתבתי דרושה פריצה מדעית חדשה כדי שהרעיון יהפוך למציאותי יותר.

    הבאת את הדוגמא של מחשבים ואכן שם הייתה פריצת דרך מדעית הנקראת הטרנזיסטור בלעדיו לא היו לנו היום מחשבים שולחניים. המחשב הוא הצלחה טכנולוגית אבל היו מספר רעיונות שלא צלחו את המחסום הטכנולוגי:
    רכבות שירחפו על על מוליכים בטמפרטורות גבוהות. בזמנו הרעיון נראה מבטיח היום ברור כי טכנלוכית הוא לא ישים.
    רחפות אישיות שימנעו את הפקקים. רעיון נחמד אך כיום נראה בלתי ישים לחלוטין.
    בשנות החמישים והששים האמינו כי אנרגיה גרעינית תספק חשמל לכל העולם היום המצב שונה לחלוטין.

    יש פער אדיר בין רעיון טוב למימוש הטכנולוגי שלו. ויש גם רעיונות יפים שסותרים את חוקי הטבע לדוגמא פרפטום מובילה האחרונים בעקרון לא ניתנים ליישום טכנולוגי

  4. מירום גולן

    שים לב שאתה חוזר על אותם דברים.
    זה נשמע בדיוק כמו אלו משנות החמישים שטענו שלעולם לא יצליחו למזער מכונת חישוב למשהו קטן יותר מחדר. רק החלוצים המעטים סברו ההיפך, ובאותה מידה של בטחון אני יכול לומר שבעוד מספר עשורים יהיו יחידות חישוב קוואנטיות מתפקדות.
    נסה לחשוב מעבר לקופסא

  5. משתמש אנונימי (לא מזוהה)

    מירום

    הפער הטכנולוגי עבור מחשב קוונטי אינו בין המצוי לרצוי. אין כיום תאוריה המסבירה כיצד מתוך המציאות הקוונטית צומח העולם הקלסי של הפיסיקה הקלסית. לפיכך אין ביטחון כי ניתן עקרונית אפילו לייצר מחשב קוונטי. מעבר לשאלות התיאורטיות הפער שאתה קורא לו טכנולוגי כמותי הוא לפעמים גשר שלא ניתן לחצות אותו. ידועים לי מספר מקרים של רעיונות שהצליחו ליישם בקטן (במעבדה) אבל נכשלו במבחן הכמותי. לטעמי למרות ניסיונות הירואיים של מדענים בחמש-עשר השנים האחרונות מחשב קוונטי מכל סוג אינו נראה באופק. דרושה פריצת דרך מדעית לעבור מייצור של כעשרה קיוביטים (ביטים קוונטיים) ליכולת ייצור של אלפים. למחשב קוונטי כדי שיוכל לתקן שגיאות דרושים אלפי קיוביטים!

  6. מירום גולן

    אהוד
    שים לב שהפער הטכנולוגי בין הרצוי למצוי, כפי שאתה מתאר- הוא של כמות ולא איכות. נכון, יש עוד כמה קשיים בדרך, אבל לפי מה שראיתי עד עכשיו, מחשב קוואנטי זה דבר שכבר לא נראה כל-כך רחוק.

  7. אהוד

    רענן

    מחשב קוונטי הוא רעיון תיאורטי. מקורו בין השאר במדען זוכה פרס הנובל (לא בהקשר זה)
    ריצ'ארד פיינמן. מאז 1995 כאשר שור (Shor) הציע את האלגוריתם שלו לפירוק מספרים גדולים
    במהירות הייתה מוטיבציה אדירה לנסות לבנות מחשב קוונטי במעבדה. עד היום לא ברור אם ניתן טכנולוגית לייצר מחשב קוונטי וישנם גם ספקות על האפשרות המהותית לבניית מערכת חישוב מעין זו.
    האתגרים העומדים בפני הניסיוניים המנסים לייצר מחשב קוונטי במעבדה הם אדירים. כיום הסטטסוס הוא שהצליחו לייצר "מחשב קוונטי" עם כ-10 ביטים קוונטיים. בכדי שניתן יהיה לקרוא למערכת במעבדה מחשב קוונטי יש צורך בכ-1000 (הערכה מקילה) ביטים קוונטיים זאת כדי שניתן יהיה להפעיל עליו אלגוריתמים של תיקון שגיאה.

  8. אהוד

    על ההיסטוריה של הרעיון:
    הרעיון של מחשוב קוונטי נולד אצל פיינמן כאשר הוא הבין כי לחשב מערכות קוונטיות באמצעות מחשב "רגיל" (המתבסס על פיסיקה קלסית) הינה משימה מורכבת וכנראה בלתי אפשרית בכח
    החישוב העכשוי, פיינמן חשב למה לא להפוך את הבעיה על פיה. למה לא לחשב מערכת קלסית על ידי
    מכונת חישוב קוונטית? הראשונים שחשבו תיאורטית על הרעיון של חישוב מערכות קוונטיות באמצעות מחשב קוונטי הם: כריסטופר זלכה, וסף לויד (1996).

  9. רח רפאים

    אין בעיה רק תשאיר פה את מספר כרטיס האשראי שלך ומיד נשלח לך אחד כזה.

  10. עדי

    תיקון קטן:
    "לשם הצפנת מידע" (באמצע המאמר בערך) צ"ל "לשם קידוד מידע"

  11. אדי

    אם אני מבין נכון, החידוש הוא ב'גישה' – כלומר – הדמית מערכת קוואנטית אחת ע"י מערכת קוואנטית אחרת. החידוש הוא ביישום של העקרון של המדידה באמצעות מערכת קוואנטית.
    החידוש אינו פריצת דרך בטכנולוגיה של המחשב הקוואנטי כשלעצמו.

  12. ב.ז

    מדהים, עם אינני טועה זו היא הפעם הראשונה בה נעשה שימוש ישומי במחשב קוונטי. חבל שאין הסבר מעמיק יותר אודות מבנה מערכת הניסוי עצמה ואופן פיענוח הפלט.

הוספת תגובה

  • (will not be published)