חוקרים פיתחו אלגוריתם שהראה תופעה קוונטית בסיסית: השפעה מידית של משתנה אחד על משתנים אחרים
האם המחשוב הקוונטי יעמוד בציפיות הגדולות של העולם? מכניקת הקוונטים היא תורה פיזיקלית שמתארת את התנהגות הטבע בקנה מידה זעיר ביותר. כלומר, את עולם החלקיקים. בעשור האחרון החלו מדינות וחברות מסחריות מהגדולות בעולם – כגון IBM, גוגל, מיקרוסופט ואמזון – להשקיע מאמצים רבים בפיתוח מחשוב המבוסס על מכניקת הקוונטים. כיום ישנן דוגמאות ראשונות (אבטיפוס) של מחשבים קוונטיים, והשאיפה היא שבעוד כעשור הם ישתמשו בתכונות קוונטיות ייחודיות וכך יגדילו משמעותית את כוח החישוב ביחס למחשב הקלאסי. עיקרון הפעולה של המחשוב הקוונטי הוא סופרפוזיציה – תופעה קוונטית שבה חלקיק אחד יכול להימצא במספר מקומות בו-זמנית. במחשב הקוונטי, החלקיק הזה הוא הקיוביט הקוונטי.
“בעתיד אפשר יהיה להריץ על המחשבים הקוונטיים תוכנות מסוימות שיוכלו לבצע חישובים מורכבים ולפתור בעיות קשות ביותר, שמחשב קלאסי רגיל לא יכול לפתור. “לדוגמה, הם יוכלו לבצע פקטוריזציה (פירוק לגורמים) של מספרים גדולים בקלות יחסית וכך לסייע בפריצות של מערכות הצפנה”, אומר פרופ’ עמנואל דלה טורה מהמחלקה לפיזיקה מאוניברסיטת בר-אילן, שעמל יחד עם צוותו על פיתוח טכנולוגיות קוונטיות.
במחקרם האחרון, שזכה במענק מחקר מהקרן הלאומית למדע, פיתחו פרופ’ דלה טורה והסטודנטים מירון שפר ודניאל עציץ אלגוריתם שתפקידו לזהות ולהמחיש תופעות קוונטיות במחשבים קוונטיים קיימים. הם התחברו דרך שרתים שונים (למשל של מיקרוסופט ואמזון) למחשבים הקוונטיים בארה”ב המשמשים לצורכי ניסוי, של IBM, תאגיד האניוול והסטארט-אפ IONQ, ובאמצעות האלגוריתם ערכו בהם סימולציה, הדמיה, של תופעות קוונטיות.
אחת התופעות הקוונטיות הבסיסיות שביקשו החוקרים להמחיש היא Nonlocality (חוסר מיקום); לפיה, ברגע שמודדים חלקיק במקום מסוים – זה משפיע מיד גם על חלקיקים אחרים, שמרוחקים ממנו. במקרה של המחשוב הקוונטי, החלקיקים הם כאמור הקיוביטים. החוקרים נתנו למחשב פקודה למדוד קיוביט – אם הוא ב-0 או 1 – ובדקו באמצעות האלגוריתם כיצד הדבר השפיע על הקיוביטים האחרים. הם גילו כי במחשב אחד (זה של האניוול) מדידת הקיוביט השפיעה מיד על הקיוביטים האחרים – תוצאת המדידה של כולם השתנתה (למשל הפכו מ-0 ל-1). אילו היה מדובר במחשב קלאסי, שבו לא יכולה להתקיים השפעה מידית בין ביט לביט, האלגוריתם היה נותן כתוצאה מספר שהוא תמיד נמוך משבע שמיניות, 87.5%. מחשב קוונטי לעומת זאת מסוגל לעבור את הרף ולתת 100%. במחשב של האניוול התוצאה הייתה 97%.
“מדידה של משתנה אחד שמשפיעה מידית על מדידת משתנים אחרים היא הוכחה למכניקה הקוונטית, שסותרת את המכניקה הקלאסית. עם זאת, זיהינו אותה בוודאות רק במחשב אחד. שאר המחשבים הוגבלו בשל רעש – השפעות סביבתיות לא רצויות שמסתירות את ההשפעה המידית.
מכאן קיבלנו מענה על שאלת המחקר שלנו – שבין השאר בוחנת את טיבם של המחשבים הקוונטיים הקיימים – והבנו שהם עדיין לא יעילים מספיק ולא חפים משגיאות. בהמשך נרצה להרחיב את המחקר למחשבים שכוללים קיוביטים נוספים ופחות רעש בסביבתם. המחשב של האניוול כלל רק עשרה קיוביטים. פעולות מורכבות, כמו פקטוריזציה של מספרים גדולים, מצריכות מחשבים עם מאות אלפי עד מיליוני קיוביטים, ואלו ייבנו רק בעוד עשר שנים במקרה הטוב”, מסביר פרופ’ דלה טורה.
עוד הוא מוסיף כי “נכון שהמחשבים הקוונטיים העכשוויים רחוקים מלהיות מושלמים, אבל אנחנו רואים שהם יודעים להריץ אלגוריתמים קוונטיים. אלגוריתמים אלו הם הסיבה להשקעה האדירה של מדינות וחברות ענק בפיתוח המחשוב הקוונטי”.
החיים עצמם:
פרופ’ עמנואל דלה טורה, 42, נשוי פלוס שלושה ילדים (בת 9 ותאומים בני 14), מתגורר בגבעת שמואל (“מול האוניברסיטה”). נולד באיטליה והגיע ארצה בהיותו בן 18 במסגרת תוכנית של בני עקיבא (“באתי לשנה ונשארתי לכל החיים”). בזמנו הפנוי אוהב לשוט במפרשית (“תחביב שעזר לי לצלוח את משבר גיל ה-40. דרך נוספת הייתה יום הולדת 41”) ולעשות סקי (“תחביב שהחל בילדותי. אני כבר מזמן לא מתרגש ממנו אבל הילדים שלי עדיין מתרגשים”).
עוד בנושא באתר הידען:
