ניצן וידנפלד, אתר g-spot
קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/quantom100504.html
תורת הקוואנטים – אלברט איינשטין התנגד לה, ארווין שרודינגר הרג בעזרתה חתולים (לפחות בתאוריה ועל כך בהמשך), אולם לרובנו נדמה שמדובר בהתעסקות מעט חסרת תכלית, עניין לפיזיקאים אפורי שיער וכבדי מבטא, אך חסרת יישומים ממשיים. היא לא מאפשרת לנו להחריב את עולמנו בפצצות אטומיות כמו תורת היחסות, היא לא תסייע לנו בהשקעות בבורסה כמו תורת המשחקים ואפילו לא תעזור לנו לנצח בסנוקר כמו המכניקה הניוטונית. אולם התפתחויות אחרונות בתחום המחשוב הקוואנטי יכולות להפוך את תורת הקוואנטים לדבר החם הבא, ואפילו לעזור לנו במלחמה בטרור הגלובאלי.
מהמחשבים העצומים של שנות השישים ועד למיקרו מעבדים של ימינו, התפתחות המחשוב היתה תמיד בכיוון אחד – קטן יותר, מהיר יותר, זול יותר. הטרנסיסטורים (רכיב חשמלי שמבצע פעולה אחת פשוטה על פולס אחד של חשמל) היוו התהפתחות ישירה של שפופרות הריק וגם הם ממוזערים יותר ויותר מדור מחשוב אחד לשני. כיום ניתן לדחוס אותם על שבב סיליקון בעובי שערה. לא יירחק היום שגודלם של רכיבים אלה יגיע למספר אטומים בודדים. העולם שלנו מציית לחוקי הפיזיקה הידועים לנו (המבוססים על חוקי המכניקה הניוטונית): תפוחים נופלים מהעצים בגלל כוח הכבידה ולכל פעולה יש פעולה נגדית (המצב הביטחוני הוא דוגמה מצוינת). בעולם החלקיקים האטומיים החוקים קצת שונים – שם שולטת המכניקה הקוואנטית. לכן, אם המחשבים הולכים להיות ממוזערים יותר ויותר, בעתיד – נזדקק גם אנו להכיר את העולם מנקודת הראות של האטומים. זאת נעשה בעזרת המכניקה הקוואנטית, שתעזור לנו לצפות את התנהגות האטומים בעולמם. אולם הנקודה האמיתית היא שמכניקה קוואנטית יכולה להציע הרבה יותר מדחיסת מעגלים לשטחים קטנים יותר והאצת מהירות השעון של מעבדים. היא יכולה להוביל אותנו לעולם חדש לחלוטין של מחשוב עם שיטות ואלגוריתמים חדשים המבוססים על עקרונות קוואנטיים.
כשמדענים נאבקים להסביר בצורה פשוטה את מכניקת הקוואנטים, שבה חלקיקים יכולים להסתובב עם ונגד כיוון השעון באותה העת או להמצא בשני מקומות בו זמנית, הם בדרך כלל נעזרים בתרחיש (התאורטי לחלוטין יש לציין) שהגה יותר מחצי מאה לפני זמננו הפיזיקאי ארווין שרודינגר. הוראות ההכנה לניסוי הן פשוטות מאד – קח חתול, שים אותו בקופסא אטומה לחלוטין, הוסף חומר רדיואקטיבי (שפולט אלקטרון), מבחנה עם רעל ומכשיר רגיש לקרינה. המכשיר מכוון כך שברגע שפוגע בו האלקטרון בנקודה מסוימת המבחנה מתנפצת והחתול מת, אולם אם האלקטרון פוגע בנקודה אחרת המבחנה נשארת שלמה והחתול חי.
חוקי המכניקה הקוואנטית קובעים שלא ניתן לחשב במדוייק את מסלול האלקטרון הנפלט מהחומר – כך שהדרך היחידה לדעת את מיקומו היא לפתוח את הקופסא ולבדוק אם החתול חי או מת. אולם כל עוד הקופסא נשארת סגורה האלקטרון נמצא במצב ביניים – הנקרא סופרפוזיציה – שבו הוא נמצא בשתי הנקודות גם יחד – ולכן החתול נמצא גם הוא במצב שבו הוא חי ומת בו זמנית. ברגע שנפתח את הקופסא המערכת תתייצב למצב שבוא החתול חי או מת. אולם כל עוד הקופסא סגורה היא מכילה למעשה את שתי האפשרויות גם יחד. לא ניתן לבצע את הניסוי עם כדור לדוגמא – משום שניתן לחשב מראש בעזרת חוקים פשוטים את מיקום הכדור בקופסא ולכן גם לדעת אם החתול מת או לא. מסקנת הניסוי, מעבר לכך שפיזיקאים מביאים מזל רע לחתולים שחורים, היא שבמערכת קוואנטית ישנו מצב חדש, מעבר ל 0 ו 1 המוכרים לנו, מצב של 0 ו 1 גם יחד. נשמע דימיוני? אולי לאוזניים שלנו אך לקבוצת מדענים יפאניים לא רק שמדובר באמת לאמיתה, הם גם כבר בנו מחשב קוואנטי קטן ואף עשו בו שימוש. אבל לפני שנבין את היתרונות של מחשב קוואנטי עלינו להבין קצת יותר לעומק את המשמעות העצומה של אותו מצב שלישי.
כידוע לכולנו יחידת המידע הקטנה ביותר במחשב רגיל היא ביט, שיכול להיות בעל הערכים 0 או 1. יחידת המידע הקטנה ביותר במחשב קוואנטי היא הקוואביט – שיכול להכיל את הערכים 1,0 ולהיות במצב סופר פוזיציה שמכיל את שני הערכים גם יחד. עכשיו נגלוש עם הרעיון של סופר פוזיציה קצת רחוק יותר. רצף של שלושה ביטים יכול להכיל 8 אפשרויות שונות (000, 001, 010….), אבל רק אחת בוא זמנית. רצף של שלושה קוואביטים יכול להכיל את כל שמונה האפשרויות בוא זמנית! לא מדובר כאן רק בחיסכון במקום. בעזרת מחשב קוואנטי ניתן לבצע פעולה אחת על כל המספרים המאוכסנים בזכרונו באותו הזמן, במקביל. מחשב קוואנטי בעל "זיכרון" של שלושה קוואביטים יכול לבצע 8 פעולות זהות בוא זמנית (פעולה אחת זהה על כל אחד מהמספרים המאוכסנים), 10 קוואביטים – 1024 פעולות בוא זמנית, 14 קוואביטים – 16384 פעולות (יותר ממחשב העל החזק בעולם: מפלצת השוכנת במעבדה בלוס אלמוס בארה"ב, כל כך גדולה שהיא צורכת מספר מגאווט של חשמל לשם פעולה).
מתמטיקאים הוכיחו שמחשב קוואנטי בעל אלפי קוואביטים, שעדיין קטן מכדי שיוכל להיראות בעין לא מצוידת, יוכל, בין השאר, למצוא את כל המחלקים של מספרים בעלי מאות ספרות, בעיה שחישובה בעזרת מחשב על של ימינו תארוך יותר זמן מגילו העכשיוי של הייקום. חלק גדול משיטות ההצפנה מושתת על מציאת מחלקים של מספרים עצומים (או יתר נכון על הקושי שבמציאת המחלקים), בכלל זה שיטת ה PGP הביתית הנפוצה באינטרנט, שיטת ה RSA שמשמשת בנקים ושיטת ההצפנה של צבא ארצות הברית. כיום הצפנה מעל לרמה מסויימת היא לא חוקית ברוב ארצות העולם, משום שהשילטונות מפחדים שניתן יהייה להצפין בעזרתה מסרים של קבוצות טרור או אירגוני פשע שלא ניתן יהיה לפענחם חזרה. כתוצאה מכך כולנו, המשתמשים הביתיים, נאלצים להשתמש בהצפנה מאובטחת פחות. היות ומחשב קוואנטי הוא כלי שרק גופים גדולים מאד, כמו ממשלת ארה"ב, יוכלו להרשות לעצמם את אחזקתו, מסיבות שיפורטו בהמשך, בנייתו תוביל להסרת הסנקציות על הצפנה לכלל המשתמשים. כך נוכל אנו להשתמש בהצפנה שלא ניתנת לפריצה לחלוטין, אלא בעזרת מחשב קוואנטי, והשילטונות יוכלו לפענח כל מסר מוצפן בשיטה זו בעולם בתוך שניות. אם נתעלם לרגע מההשלכות הקשורות לפרטיות האזרח, מדובר כאן במהפיכה בעלת השפעות מרחיקות לכת על כל התקשורת המאובטחת באינטרנט, כגון קניות מקוונות והמלחמה בטירור הגלולבאלי, שמעביר כמות אדירה של מסרים מוצפנים.
מחשב קוואנטי בעל מספר עשרות אטומים יכול גם לסקור במהירות מסדי נתונים עצומים, בעלי מליוני ומליארדי רשומות. התוצאה תהיה, בין השאר, מחשב המסוגל לחשב את כל (!) המהלכים האפשריים במשחק שח ולא רק מספר מליוני מהלכים קדימה, מאין "כחול עמוק עמוק". שימוש נוסף למחשב קוואנטי הוא יצירת סימולטורים של תהליכים מורכבים ביותר, כגון פיצוץ פצצת אטום והתנהגות החומר מהרמה התת חלקיקית ועד לרמה הנראית לעין.
כמובן שמחשב קוואנטי דורש שפת תכנות ומערכת הפעלה שונות לחלוטין ממחשב רגיל. פעולות כגון "קח את תוצאת החישוב הקודם על כל המספרים בין 1 ל 8 והכפל אותה ב 13" הן חסרות משמעות למחשב רגיל. במעבדות חברת לוסנט כבר מתכננים את התוכנה שתפעיל מחשב שכזה, למרות שגם שם מודים שייתכן שהם מתכננים מערכת הפעלה לחומרה שלעולם לא תבנה.
למרות שאין דבר בחוקי הפיזיקה ששולל מחשב קוואנטי, קוואביטים הם יצורים רגישים במידה רבה. כל הניסויים מתבצעים בטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט (273- מעלות צלסיוס), כאשר כל הפרעה ולו הקטנה ביותר יכולה לגרום לקריסת הניסוי. וזאת לפני שפנינו בכלל אל הקשיים הכרוכים באיסוף תוצאות החישוב והפיכתן לנתונים שאפשר לעבדם במחשבים רגילים. עקב הקשיים הללו ההתקדמות המעשית אל עבר מחשב קוואנטי מושלם היא צנועה יחסית: קבוצת מדענים ביפן הצליחה ליצור מחשב קוואנטי שמסוגל לחשב את המחלקים של המספר 15 ולחפש במסד נתונים בן 8 רשומות. חוקרים במעבדות בלוס אלמוס בארה"ב הצליחו ליצור מחשב קוואנטי בעל 7 קוואביטים בטיפת חומר.אם חוק מור החל על מחשבים רגילים (שאומר שההתקדמות בכח המחשוב מכפילה את עצמה כל 18 חודשים בקירוב) יחול גם על מחשוב קוואנטי הרי שבעוד כשלוש שנים נצפה במחשב בעל 30 קוואביטים, היכול לבצע 10 מליארד מליארדים של פעולות בשניה – פי 5 מהמפלצת מלוס אלמוס.
לסיכום ניתן לאמר שאת דום 4 לא נשחק על מחשב קוואנטי ביתי, אבל בקרוב בהחלט נתחיל לחוש בכוח החישוב האימתני שלו.
קישורים:
למאמר בנושא באתר של מעבדות לוס אלאמוס
אתר G-spot
ידען הפיסיקה
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~839536451~~~95&SiteName=hayadan
תגובה אחת
אני לא פיזיקאי אל החתול של שרדינגר הוא אחת הדרכים הגרועות ביותר להסברת תורת הקוואנטים.
מזכיר את הבדיחה על החסיד שרצה להכשיל את הגורו – לקח ושם בכף היד שלו פרפר ואמר שישאל את הגורו האם הפרפר חי או מת.
אם הגורו יענה חי – יהרוג ויפתח את היד.
אם הגורו יענה מת – יפתח את היד.
שאל החסיד את הגורו אם הפרפר שבידו חי או מת והגורו ענה לו – זה הכל בידיים שלך.
ואו! מעמיק אה? יותר מהחתול!