ידענים: מיחשוב קוונטי | מכון ויצמן

מאת 3 במרץ 2009 18 תגובות

מחשב קוונטי הוא מעין גביע קדוש שעומד במרכז שאיפותיהם של מדענים רבים, במקומות שונים בעולם.

תא הוואקום בו משתמש ד''ר עוזרי ללכידת יוני סטרונציום

תא הוואקום בו משתמש ד''ר עוזרי ללכידת יוני סטרונציום

העובדה שאיש אינו יודע איך ייראה מחשב קוונטי ואיך בדיוק הוא יפעל, אינה מרפה את ידיהם של המדענים. התועלת שאפשר יהיה להפיק ממחשב כזה היא כה גדולה, עד שהיא מצדיקה את המאמץ ואת ההתמודדות עם חוסר הוודאות (אם מותר להשתמש בביטוי בהקשר זה). מחשבים קוונטיים יוכלו, בין היתר, לבצע חישובים שאי-אפשר לבצעם במחשבים רגילים, כגון פירוק מספר גדול מאוד, שנוצר כמכפלה של שני מספרים ראשוניים, למרכיביו. יכולת כזו משמעה אפשרות לפצח מידע המוצפן במערכות ההצפנה הנפוצות והאמינות ביותר הקיימות כיום, ואשר משמשות לתקשורת כלכלית, ביטחונית ופרטית.

יתרונו הגדול של המחשב הקוונטי, והקושי בבנייתו, נובעים מההבדל המהותי בין ביטים של מחשב רגיל לבין ביטים קוונטיים. ביט רגיל הוא מעין מתג הנמצא בכל רגע נתון במצב אחד מתוך שני מצבים אפשריים (למשל, "כבוי" ו"מופעל"), שאפשר לתארם בספרות אפס (0) ואחד (1), בהתאמה. לעומת זאת, ביט קוונטי ("קיוביט") יכול להימצא בעת ובעונה גם ב"אפס" וגם ב"אחד". לכן הוא יוכל לבצע חישובים רבים במקביל. היכולת הזאת נובעת מאחת מהתכונות הבסיסיות שתורת הקוונטים מייחסת לחומר ולאור כאחד: הקיום הכפול כחלקיקים וכגלים.

בעולמם של הדברים הגדולים שולטת הפיסיקה הקלאסית, שלפיה מצויים גושי חומר במקומות מוגדרים. אבל בעולמם של הדברים הקטנים, החלקיקים התת-אטומיים, שולטת פיסיקת הקוונטים, שלפיה חלקיקי החומר מופיעים לפעמים כגלים שנמצאים בעת ובעונה אחת בכל מקום. כך למשל, גלי החומר יכולים לנוע בעת ובעונה אחת במספר מסלולים אפשריים – כל עוד שום גורם אינו מתבונן בהם או מודד אותם. ברגע שמישהו או משהו צופה בהם – הקיום הכפול קורס, החומר "בוחר" מסלול אחד בלבד, ובמסלול האחד הזה הוא מופיע במופע

החומרי, החלקיקי שלו. זוהי, במובן מסוים, תמצית הקושי בבנייתו של ביט קוונטי. מצד אחד אנחנו רוצים ליהנות מהמקביליות שבקיומו. מצד שני, אם רוצים לשנות את מצבו (למשל, ממצב "אפס" למצב "אחד"), או לקרוא אותו, הוא עלול לקרוס אל המופע החלקיקי שלו, ולאבד את תכונת הגל ואת הקיום המקבילי.

פרופ' עדי שטרן, מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה המציא בעבר שיטה לבדיקת יכולתה של מערכת לשמש סוג מיוחד של קיוביט – ביט קוונטי טופולוגי. מדובר במערכת של אפקט הול הקוונטי, שבה חלקיקים

מדומים נעים במישור ששדה מגנטי חזק פועל בניצב אליו. מדובר בחלקיקים מדומים שמטעניהם החשמליים שווים לשליש, לרבע או לחמישית ממטען האלקטרון. חלקיקים אלה, שאינם מצויים בטבע, נוצרו במעבדתו של פרופ' מוטי הייבלום מאותה מחלקה.

מערכת כזאת חייבת לעמוד בקריטריונים מסוימים כדי להתאים להגדרה של קיוביט. החלקיקים חייבים להיות מסוגלים להחליף מקומות, והחלפות המקום האלה חייבות להשאיר סימנים שאפשר לעקוב אחריהם. במילים אחרות, השיטה חייבת לאפשר לשמור מידע באמצעות פעולות החלקיקים. בניסוי התיאורטי של פרופ' שטרן זורמים שני קווי זרם חשמלי במערכת כשביניהם "גדר" הפרדה המכילה חלקיקים מדומים. אם מספר החלקיקים המדומים (בעלי המטען הקטן ממטען האלקטרון) אינו זוגי, האלקטרונים בזרם יתנהגו כחלקיקים,

ויעברו את החומר בקו ישיר. אבל אם מספר החלקיקים המדומים הוא זוגי – האלקטרונים שנעים במערכת יתנהגו כגלים, ויתאבכו בקצה המסלול. למעשה, לא רק מספרם של החלקיקים המדומים משפיע על המערכת, אלא גם גודל המטען החשמלי שלהם (שליש, רבע או חמישית ממטען האלקטרון). לחלקיקים

שפרופ' הייבלום מדד בשנות ה-90 היו מכנים אי-זוגיים, ואלה אינם משאירים סימנים כשהם מחליפים מקום במישור. לכן הם אינם מתאימים לשמש ביטים לאיחסון מידע. לעומת זאת, החלקיקים המדומים שמטענם

בעל מכנה זוגי (רבע ממטען האלקטרון), עשויים להתאים יותר לתפקיד הביט הקוונטי. חלקיקים מסוג זה הופקו לפני כשנה, לראשונה בעולם, על-ידי צוות של מדענים ממכון ויצמן, ובהם פרופ' מוטי הייבלום, פרופ' עדי שטרן, ד"ר ולדימיר אמנסקי, ד"ר דיאנה מהלו ותלמידת המחקר מירב דולב. .

טעות במספר

יכולתם של חלקיקים קוונטיים להימצא במספר מצבים ומקומות בעת ובעונה אחת (הקרויה "סופר-פוזיציה") עשויה להקנות להם את יכולת החישוב המקבילי המבוקשת כל כך. אלא ש"סופר-פוזיציה" קורסת למצב

קיומי אחד מוגדר ברגע שמישהו או משהו מתבונן או מודד אותה (לזה כיוונו מייסדי תורת הקוונטים כשאמרו ש"הצופה משנה את התוצאה"). כך למשל, "סופר-פוזיציה" מעולם לא נצפתה בעולמם של "הדברים הגדולים". ההסבר המקובל לכך הוא, שבגושי חומר המכילים חלקיקים רבים, כולם "צופים" בכולם ולכן ה"סופר-פוזיציה" של כולם קורסת אל מצב הקיום החומרי, המוגדר (תופעה הקרויה "די-קוהרנטיות"). כך נקלעו המדענים למצב שבו הם יכולים לתאר מחשב קוונטי פשוט, אבל אינם מסוגלים לבנות מערכת חישובית כזאת המבוססת על מיליוני ביטים.

האתגר הזה עומד במרכז שאיפותיהם של ד"ר רועי עוזרי ותלמידי המחקר ניצן אקרמן, ינון גליקמן, שלומי קוטלר, יוני דלאל ואנה קסלמן, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע. ד"ר עוזרי מתעניין בעיקר ביכולת לבצע תיקוני טעויות בחישובים קוונטיים. המחשבים הקיימים כיום מונעים את רוב הטעויות באמצעות כפילויות ופרוטוקולים מיוחדים לתיקון טעויות.

פרוטוקולים כאלה מגינים, למשל, על קבצי המוסיקה השמורים על תקליטורים מפני שריטות. פרוטוקולים דומים, אם ייושמו במערכות קוונטיות, עשויים לשמש כלים לזיהוי ולמניעה של די-קוהרנטיות, ובכך

לשמור על "סופר-פוזיציות" של התקנים הבנויים מחלקיקי חומר רבים. כך, בדרך של הגנה פעילה, אולי אפשר יהיה להחיל את עקרון הסופר-פוזיציה בעולמם של הדברים הגדולים.

ד"ר עוזרי חוקר גם דרכים לייצור שערים לוגיים קוונטיים מורכבים (שערים לוגיים מבצעים את הפעולות הבסיסיות של חישובים אלקטרוניים). מדובר בדרכים שבהן פעולות המתבצעות על קיוביט אחד ישנו, במקרים מסוימים, את מצבו של קיוביט אחר. אבל כיצד מתגברים על הקושי העולה מהתכונה הקוונטית הבסיסית, שלפיה "הצופה משנה את התוצאה"? כיצד אפשר למדוד או לשנות קיוביט מבלי לגרום לקריסת המערכת למצב חומרי מוגדר?

ד"ר עוזרי מנסה לענות על השאלות האלה – ולהתגבר על הקושי המתואר בהן – באמצעות מערכת ניסוי המבוססת על יונים של סטרונציום (יונים הם אטומים שעברו "ניתוח לייזר" כדי להסיר חלק מהאלקטרונים שלהם). הוא יורה אחדים מהיונים האלה לתוך תא ריק (ואקום), שם הם נלכדים במערך של שדות חשמליים, ומקוררים באמצעות קרני לייזר לטמפרטורה של כמה מיליוניות מעלה מעל לאפס המוחלט. על אף שמדובר בכמה יונים בודדים, מצליח ד"ר עוזרי לבחון את ההשפעה של די-קוהרנטיות באמצעות

הפעלת שדה אלקטרומגנטי שיוצר "רעש" בסביבתם של היונים. כדי להפעיל את היונים בתא הריק שבו הם כלואים, הוא משתמש בלייזרים נוספים שמכוונים כדי להעביר את יוני הסטרונציום ממצב אלקטרוני אחד

למשנהו. הדיוק הנדרש בהתאמת תכונותיהם של הלייזרים האלה אל המעברים בין המצבים השונים של יוני הסטרוציום, מהווה אתגר של ממש. ד"ר עוזרי: "זה כמו לכייל את האורך של מוט שמגיע מכדור-הארץ עד הירח בדיוק של עובי שערה".

מה יצא לנו מזה?

בטיחותה של שיטת ההצפנה הנפוצה כיום מבוססת על העובדה, שפירוק מכפלה של שני מספרים ראשוניים למרכיביה מחייב זמן רב מאוד (לעיתים הרבה יותר ממשך חיי אדם). מחשב קוונטי עשוי

לשנות את מצב העניינים הזה, ולאפשר שבירת צפנים בפרקי זמן קצרים בהרבה.

בתמונה: שמונה יונים לכודים בתא ריק ומקוררים באמצעות לייזר. בטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט מתארגנים היונים במבנה גבישי דמוי שרשרת פנינים. כל יון בגביש מתפקד כביט קוונטי אחד

בקיצור:

השאלה: האם אפשר לעקוף את העיקרון הידוע של תורת הקוונטים שלפיו "הצופה משנה את התוצאה"? האם אפשר להיעזר במדידה קוונטית כדי "לשמר את התוצאה"?

הממצאים: זה בדיוק מה שמדעני המכון מנסים לעשות.

מימין: פרופ' מוטי הייבלום, פרופ' עדי שטרן וד''ר רועי עוזרי. קיום כפול

מימין: פרופ' מוטי הייבלום, פרופ' עדי שטרן וד''ר רועי עוזרי. קיום כפול

תקשורת

פרופ' רן רז, מהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית במכון ויצמן למדע, חוקר בין היתר את השאלה, האם תקשורת בין מחשבים תיעשה יעילה יותר הודות לשימוש בשיטות קוונטיות.

ייתכן שעידן המיחשוב הקוונטי עוד רחוק, אבל הפיתוח של תקשורת קוונטית הוא משימה קלה יותר, ולמעשה היא כבר הוצגה בהצלחה בניסויי מעבדה. דוגמא לבעיית תקשורת היא תוכנה לקביעת פגישה בין שני אנשים. מספר הביטים הקטן ביותר הדרוש היום לתקשורת בין מחשבים במטרה לאתר שעה חופשית משותפת בין שני היומנים של שני האנשים המבקשים להיפגש, שווה למספר המשבצות הנבדקות (n). לעומת זאת, מערכת של תקשורת קוונטית תוכל לבצע את המשימה באמצעות כמות ביטים השווה לשורש הריבועי של n בלבד.

פרופ' רז מצא שבבעיות תקשורת מסוימות, מערכת קוונטית עשויה להציע שיפור גדול בהרבה, לעיתים אפילו לוגריתמי. במילים אחרות, ככל שהערך של n עולה, היתרון של התקשורת הקוונטית יהיה משמעותי יותר. עוד הוא מצא, שתקשורת קוונטית עשויה להיות יעילה גם במערכות של תקשורת חד-כיוונית, שבה הצד המקבל חייב לבצע החלטות על בסיס המסר שנשלח על-ידי השולח.

18 תגובות ל “לחשוב בקטן”

  1. יוסי כהן

    גם אני יכול להגיד שלחבר שלי יש כוחות על אבל שאתה מסתכל עליו פתאום אין לו

    שאלה האם מחשב קוואנטי יוכל להריץ משחקים עם חישובים של אטומים כוחות כבידה ואלקטרונים במקום טקסטורות ומודלים? יהיה מגניב לשחק CRYSIS עם גראפיקה ופיזיקה ממש ריאליסטיים בלי תקיעות וירידות בקצב התמונות…

  2. אחד שיודע

    לבחור ששאלה על המודעות וכל זה
    המודעות לא משחקת תפקיד. העניין הוא שכדי למדוד משהו או לצפות בו אתה צריך שפוטון (חלקיק של אור) יפגע בעצם ויחזור לעין שלך או למכשיר מדידה כלשהו. אם אתה עושה את זה אתה משנה את המערכת.
    קח לדוגמה מכונית, אם מתנגש בה זבוב זה לא מאט את המכונית בצורה שאתה יכול להרגיש. אבל אם תזרוק על המכונית סלע של חצי טון השינוי יורגש.
    כלומר במערכות גדולות מדידות לא ממש משפיעות. במערכות ננוסקופיות שבהם עוסקת הפיסיקה הקוונטית פוטון אחד משול לסלע גדול.

    עובדה היא שבני אדם לא היו מודעים לשום דבר פיסיקלי לפני 5000 שנה ועדיין זה לא הפריע לעולם להתקיים בדיוק כפי שהוא היום.

  3. מיכאל ר. (בעבר מיכאל)

    אריה:
    כבר כיום יש מחשבים מרובי ליבות ואני חושב שמצב זה צפוי להישאר.
    ב PC של היום יש, כמובן, את הליבות המרובות של המעבד בראשי אבל יש בו, כפי שהזכרתי גם ליבות נוספות המתמחות בפעילויות ייחודיות (כמו המעבד הגרפי, כרטיס הרשת, מודם פנימי ועוד).
    תוכנות בנות זמננו נכתבות תוך התחשבות בקיומן של ליבות אלו כאשר הן מפנות לכל אחת מהן את הפעולות שבהן היא מתמחה.
    אני חושב שמאד ייתכן שמעבד קוונטי – אם וכאשר יפותח – יתווסף למחשבים קיימים באותו אופן.
    צריך לזכור שהתכנות של מעבד קוונטי יצריך אלגוריתמים מיוחדים המביאים בחשבון את תכונותיו, יכולותיו, ואופן פעולתו השונים.
    פירוש הדבר הוא שגם כאשר טכנולוגיה זו תהיה זמינה לא ניתן יהיה להריץ עליה את התוכנה הקיימת כיוון שתידרש הסבה שלה (ומדובר בכמויות אדירות של תוכנה שלחלק גדול ממנה לא יקנה המעבד הקוואנטי כל יתרון).
    הדרך הסבירה לניצול היכולות החדשות תהיה לכן דרך שתאפשר מעבר הדרגתי – מעבר שייתכן שלא יושלם לעולם – מתוכנה של מחשבי פון נוימן לתוכנה של מחשבים קוונטים – תוך שמירת האינטגרציה בין שני העולמות.

  4. אריה סתר

    מיכאל
    אתה רוצה להגיד שיחידת העיבוד תהיה שבב רגיל, עם חיבורים חשמליים חיצוניים רגילים, רק שבליבה שלו המחשוב יהיה קוונטי?

  5. מיכאל ר. (בעבר מיכאל)

    אריה:
    הלוואי וזו הייתה הבעייה.
    אין שום סיבה לא להשתמש באמצעי הקלט/פלט הקיימים.
    מחשב קוונטי אמור להתגבר על בעיות של מהירות חישוב ולא על שום דבר אחר.
    לא אתפלא אם – כאשר יצליחו לפתח משהו בכיוון – ואם זה יהיה משהו שיכול לעבוד בטמפרטורת חדר – יתחילו לצוץ מכשירים היברידיים בהם יש אפשרות להוסיף יחידת עיבוד קוואנטית למחשב רגיל (כפי שמוסיפים כיום מעבד גרפי).
    יחידה זו תריץ תוכניות מיוחדות שתדענה לנצל את יכולותיה היחודיות אך הקלט והפלט ינוהלו עבורה על ידי המחשב הרגיל.

  6. אריה סתר

    ומעניין איך חושבים לחבר את הקלט פלט למחשב קוונטי?

  7. רענן

    כבר יותר מ-12 שנה מדברים על המחשב הקוונטי, כשימציאו דבר כזה תודיעו לי.

  8. מיכאל ר. (בעבר מיכאל)

    דן סולו:
    לא אמרתי שאתה לוקח את הדבר מהם – רק ציינתי שהם ימשיכו לנופף בזה לעולמי עד.
    באמת אפשר לכתוב מדידה במקום התבוננות ובמאמר משתמשים גם במונח צופה.
    אין לי השפעה על בחירת המילים של כותב המאמר וגם הביטוי "מדידה" עלול להתפרש כדבר המחייב את קיומה של ישות תבונית ומודעת המבצעת את המדידה.
    כדי להסיר כל אפשרות לאי הבנה מסוג זה כתוב במאמר כדלקמן:
    "בגושי חומר המכילים חלקיקים רבים, כולם "צופים" בכולם ולכן ה"סופר-פוזיציה" של כולם קורסת אל מצב הקיום החומרי"
    בטקסט זה ברור שמדובר רק בחלקיקים ולא בשום דבר אחר (אבל, כאמור, אין סכנה שאנשי העידן החדש יושפעו מכך 🙂 )

  9. דן סולו

    מיכאל,
    אני לא קונה שום דבר מאנשי העידן החשד, לא לקחתי את השאלה שלי משם.
    מהי היתבוננות נטולת מודעות ולמה המושג התבוננות ולא מדידה?

  10. מיכאל ר. (בעבר מיכאל)

    דן סולו:
    כפי שראית במאמר – כלל לא מדובר בהתבוננות מודעת.
    הכותב טורח לחזור ולכתוב "מישהו או משהו" ומדבר על כך שבמערכות מאקרוסקופיות אין אפקטים קוואנטים כי כל רכיביהן "צופים" בכל האחרים.
    למודעות אין כל תפקיד בסיפור אבל את אי ההבנה הזה ימשיכו אנשי העידן החדש למכור לעולמי עד.

  11. דן סולו

    יש לי שאלה של לא פיזיקאי,
    אם, התוצאות של מדידות פיסיקליות משתנות בעצם ההתבוננות (באיזה מקום ראיתי שמדברים על התבוננות מודעת), כלומר לפי הבנתי, המודעות שלנו משנה את העולם הפיזי, אז, מה זה אומר על המציאות שלנו?
    המציאות הפיזית שאנו חיים בה ניתפסת בעיננו כמשהו יציב וקבוע, האפשרות שאנו משנים אותה בעצם המודעות ולמעשה הקיום שלנו, מערערת תפיסה זאת.
    איך אנו צריכים לתפוס את המציאות הזו בעיניים מדעיות ומהי בעצם אותה מציאות?
    למי פיתרונים (חלקיים אני מניח)?

  12. נקודה

    חלקיקים מדומים אלו חלקיקים מתימטיים.

  13. אריה סתר

    "חלקיקים מדומים שמטעניהם החשמליים שווים לשליש, לרבע או לחמישית ממטען האלקטרון. חלקיקים אלה, שאינם מצויים בטבע, נוצרו במעבדתו של פרופ' מוטי הייבלום"
    חלקיקים מדומים? מה הם? מה זה בדיוק? אפשר להרחיב? אם יש פה גילוי מדהים אז זה זה. מה פירוש מדומים ואיך הם משפיעים על אופן מעבר האלקטרונים כפי שתואר בכתבה?
    בקיצור –
    ? ? ? ? ? …

  14. ליבנה

    וואו, איזו כתבה, לא יכולתי להפסיק לקרוא, זה היה כל כך מסובך שכל 10 שורות קראתי 2 שורות פעמיים.

  15. נקודה

    שאלה מענינת קשורה היא, אם מוחינו אנו הוא מחשב קוונטי, אין להתעלם מכך שישנם אינטרקציות ברמה של חלקיקים בודדים, ולכן יתכן ואפקטים קוונטיים שולטים על פעולת מוחינו מה שיסבך את הדברים לאין ערוך.

הוספת תגובה

  • (will not be published)