יבמ מציעה התנסות במערכת מחשוב קוונטי ראשונה בעולם – באמצעות הענן

מעבדות המחקר של יבמ מעמידות לראשונה לשימוש הציבור הרחב את מערכות המחשוב הקוונטי המפותחות על ידי יבמ. מעתה, יוכלו משתמשים, שאינם אנשי יבמ, לגשת בתקשורת אל המעבד הקוונטי אותו בנתה יבמ, ולהריץ עליו ניסויים ויישומים אותם הם מפתחים.

מעבדות המחקר של יבמ מעמידות לראשונה לשימוש הציבור הרחב את מערכות המחשוב הקוונטי המפותחות על ידי יבמ. מעתה, יוכלו משתמשים, שאינם אנשי יבמ, לגשת בתקשורת אל המעבד הקוונטי אותו בנתה יבמ, ולהריץ עליו ניסויים ויישומים אותם הם מפתחים.

פלטפורמת המחשוב הקוונטי של יבמ מסופקת, באמצעות ענן המחשוב של החברה, ממרכז המחקר שלה על שם תומס ווטסון השוכן ביורקטאון הייטס, ניו יורק. ביבמ צופים כי אפשרות הגישה למעבדים קוונטיים תפתח עידן חדש של מחשוב. מחשב קוונטי אוניברסאלי, כאשר ייבנה במלואו, יהווה אבן דרך בהיסטוריה של טכנולוגיות המידע והוא עשוי לסייע לפתור שורת בעיות בהן מחשבים רגילים אינם מסוגלים לטפל.

החוקרים ביבמ בנו מעבד קוונטי אליו ניתן לגשת עתה באמצעות הענן של יבמ, מכל מחשב שולחני או מכשיר נייד. הפלטפורמה של יבמ, שזכתה לשם “החוויה הקוונטית”, תאפשר למשתמשים להריץ אלגוריתמים ולערוך ניסיונות בסביבת המעבד החדש, תוך עבודה עד לרמת הסיביות הקוונטיות (qubits), והתנסות בסימולציות של האפשרויות הנפתחות בעזרת מחשוב קוונטי.

המעבד הקוונטי של יבמ בנוי מחמש סיביות קוונטיות בעלות יכולות של מוליכות-על ומייצג את השלב המתקדם אליו
הגיעו חוקרי יבמ בפיתוח ארכיטקטורה, אותה ניתן יהיה להרחיב גם למערכות גדולות יותר. כיום, נחשבת הגישה הזאת כמובילה בתחומה, בכל הנוגע לחזון הבניה של מחשב קוונטי אוניברסאלי.

מחשב קוונטי אוניברסאלי יהיה ניתן לתכנות על מנת לבצע כל משימת מחשוב ומהיר אקספוננציאלית בהשוואה למחשבים קלאסיים – ככל שמדובר באפליקציות חשובות במיוחד הנדרשות בעולם המדעי והעסקי. מחשב כזה אינו קיים עדיין, אולם יבמ חוזה כי בעשור הקרוב יפעלו כבר מערכות קוונטיות בגודל בינוני שיכללו 50-100 סיביות קוונטיות. מחשב קוונטי בעל 50 סיביות קוונטיות, יציע יכולות שהן מעל ומעבר למערכות מחשבי העל החזקות ביותר המוכרות כיום. קהילת המדענים והתיאורטיקנים בתחום המחשוב הקוונטי פועלת כיום על מנת להגדיר שיטות ודרכים שיאפשרו למנף את עוצמה זו. ישומים דוגמת אופטימיזציה של מערכות וכימיה חישובית צפויים להיות בין תחומי השימוש הראשונים במחשבים החדשים.

מחשבים קוונטיים שונים מהותית מאלה המוכרים לנו כיום, לא רק במראה החיצוני או בחומרים מהם הם בנויים – אלא גם, ובאופן חשוב יותר, בכושר הביצוע שלהם. מחשוב קוונטי מתקרב עתה לשלב המימוש במציאות, באופן שירחיב משמעותית את התפיסה הקיימת לגבי יכולות הביצוע של מערכות מחשב. ביבמ מעריכים כי ההזדמנות הניתנת עתה לקהילה המדעית להתנסות בפועל בשימוש במערכות קוונטיות, תאפשר לחוקרים להאיץ את קצב החדשנות בתחום הקוונטי, ולגלות יישומים חדשים לטובתם ניתן לרתום את הטכנולוגיה ההולכת ומתפתחת.

העידן הבא של המחשוב

חוק מור (Moore), החוזה מחזורים שיטתיים של הכפלת כמות הטרנזיסטורים על גבי שבב בודד ויחד עימה גם הכפלת הביצועים, הולך ומתקרב למיצוי מלוא פוטנציאל המזעור האפשרי. מחשוב קוונטי צפוי להיות אחת הטכנולוגיות שתאפשר עידן חדש בשורה רחבה של תחומי משק ותעשייה. קפיצה זו בתחום המחשוב עשויה להוביל לגילוי תרופות חדשות, ולאפשר אבטחה מלאה של מערכות מחשוב ענן. היא צפויה לאפשר יישומים חדשים בתחומי הבינה המלאכותית – דוגמת אפליקציות חדשות ועוצמתיות יותר של מערכת ווטסון של יבמ. היא מניחה תשתית לפיתוח חומרים חדשים, ולחיפוש במאגרים גדולים, במיוחד ביישומי Big Data.

מידע קוונטי מאופיין במבנה שביר ועדין במיוחד, ונדרש להגנה מפני שגיאות העלולות לנבוע מחום אליו חשוף המעבד, כמו גם מקרינה אלקטרו-מגנטית. אותות המידע הזה נשלחים אל תוך ומתוך סביבה מקוררת בחנקן נוזלי, תוך מדידת הפעילות על גבי המעבד.

צוות המחקר של יבמ רשם שורת חידושים הנדסיים, הן ברמת המערכת והן ברמת הבקרה האלקטרונית העוטפת אותה – באופן המבטיח למשתמשים בסביבת “החוויה הקוונטית” רמה גבוהה של אמינות וביצועים גבוהים.
יחד עם המומחיות אותה מביא מערך המחקר של יבמ בתחום התוכנה, בנה הצוות ממשק משתמש דינאמי הפועל על גבי פלטפורמת הענן של יבמ, ומאפשר למשתמשים להתחבר בקלות אל התוכנה קוונטית – באמצעות הענן. ביבמ רואים במהלך הנוכחי את יריית הזינוק לקראת הקמתה של קהילת משתמשים חדשה, שתאמץ את השימוש בעולם הקוונטי.
בעתיד, יוכלו משתמשים לתרום תוצאות ולבחון עבודות של עמיתים לקהילה. יבמ מתכננת לשלב בפלטפורמה החדשה סיביות קוונטיות נוספות ומעבדים נוספים המציגים מערך שונה של סיביות – באופן שיאפשר למשתמשים להרחיב את הניסיונות אותם הם עורכים ולגלות יישומים אפשריים חדשים לטכנולוגיה הקוונטית.

מפיזיקה מסורתית – אל עולם הקוונטים

בעולם שבו אנו חיים, מגדירה הפיזיקה הקלאסית את חוויית היום יום שלנו, מדריכה את האינטואיציה שלנו, ומעצבת את האופן שבו אנו מעבדים מידע. אלא שהטבע בכלל והרמה האטומית בפרט, נשלטים על ידי מערכת אחרת של חוקים, המוכרת כמכניקת הקוונטים. התפיסה הזאת אינה ניתנת להשגה ולהמשגה באמצעות מחשבים קלאסיים, והם אינם מסוגלים לפתור בעיות הקיימות בטבע שבהן יש למכניקת הקוונטים תפקיד. כך, לדוגמא, מתקשים מחשבים קלאסיים להבין כיצד מתנהגות מולקולות – ולחזות את אופן ההתנהגות שלהן לאורך זמן.

על מנת להתגבר על בעיה זו, הציע כבר ב- 1981 ריצ’ארד פיינמן, חתן פרס נובל לפיזיקה (1965), לבנות מחשבים המבוססים על חוקי מכניקת הקוונטים. שלושה עשורים מאוחר יותר, מסייעת עתה יבמ להפוך חזון זה למציאות.
מחשבים קוונטיים פועלים באורח שונה מן היסוד מזה של מחשבים המוכרים לנו כיום. מחשב רגיל עושה שימוש בסיביות על מנת לעבד מידע, כאשר כל סיבית מייצגת “אפס” או “אחד”. בניגוד לכך, סיבית קוונטית מסוגלת לייצג “אפס”, “אחד”, או את “שניהם בו זמנית” – מה שמוכר כ”סופר-פוזיציה”. תכונה זו, יחד עם אפקטים קוונטיים נוספים, מאפשרים למחשבים קוונטיים לבצע חישובים מסויימים בקצב מהיר הרבה מעבר לזה האפשרי במחשבים קלאסיים.
רוב המחקר בתחום המחשוב הקוונטי באקדמיה ובתעשיית טכנולוגיות המידע מתמקד כיום בבניית מחשב קוונטי אוניברסאלי. האתגרים המרכזיים כאן כוללים את הצורך לבנות סיביות קוונטיות באיכות גבוהה ולארוז אותן יחד במבנה ניתן להרחבה, כך שיוכלו לבצע חישובים מורכבים באופן ניתן לשליטה.

יבמ עושה שימוש בסיביות קוונטיות מבוססות מוליכי-על, הבנויות עם חומרים מתכתיים בעלי תכונות של מוליכי-על, ונתונים בשבב סיליקון. את השבבים האלה, ניתן לייצר בטכנולוגיות הייצור הקיימות כיום. אשתקד, הציגו חוקרי יבמ פריצת דרך טכנולוגית קריטית, בכל הנוגע לזיהוי שגיאות קוונטיות, באמצעות שילוב בין סיביות קוונטיות מבוססות מוליכי על המאורגנות במבנה שריגי – במערך מעגלים שהוא המבנה הפיזי היחיד אותו ניתן להרחיב גם למימדים גדולים יותר.
עתה, מציינים המדענים התקדמות נוספת, ויכולת לשלב חמש סיביות קוונטיות במערך המעוצב בארכיטקטורה אותה הגדירו כדי להציג יכולות פעילות המהוות מפתח לעבודת מחשוב אמיתית: ביצוע פעולה המוכרת כמדידה זוגית, parity measurement, המהווה בסיס לפרוטוקולים רבים לתיקון שגיאות בסביבה קוונטית. התקדמות בדרך לבניית מחשב קוונטי אוניברסאלי תלויה ביכולות תיקון שגיאות – והצוות של יבמ מציג עתה צעד חשוב בכיוון הזה.

פלטפורמת המחשוב הקוונטי של יבמ מהווה את אחד ממיזמי הליבה של מכון יבמ לקידום גבולות המחקר המדעי, IBM Research Frontiers Institute. המכון פועל כקונסורציום המפתח ומשתף טכנולוגיות מחשוב פורצות דרך, על מנת לקדם חדשנות העתידה לשנות את פני העולם. חברות ממגוון תחומי משק ותעשיה יכולות למנף את כישורי המחקר של יבמ והתשתיות המובילות אותן היא מציעה, על מנת לבחון את השלכות המחשוב הקוונטי בתחומי הפעילות שלהן.
____________________________________________________