שלושה מאמרים חדשים מציעים דרכים לבסס אמון בתוצאות של מחשב קוונטי גם כאשר הסימולציה הקלאסית נכשלת. באחד המחקרים השתתפה החברה הישראלית קידמה, אך המאמרים טרם עברו ביקורת עמיתים וההשוואה למחשוב הקלאסי נמשכת
IBM וקבוצות מחקר מאוניברסיטת שיקגו, החברה הישראלית קידמה (Qedma) וחברת Algorithmiq פרסמו שלושה מאמרים שבהם הן מציגות הדגמות של יתרון קוונטי — חישוב שמגיע לתחום שבו השיטות הקלאסיות המובילות מתקשות לספק תשובה אמינה — יחד עם מנגנונים שנועדו לבדוק אם אפשר לסמוך על התוצאה הקוונטית.
החידוש המרכזי אינו רק הגדלת מספר הקיוביטים או עומק המעגלים. החוקרים מנסים להתמודד עם שאלה בסיסית: אם החישוב קשה מכדי שמחשב קלאסי יוכל לשחזר אותו, כיצד אפשר לדעת שהמחשב הקוונטי לא החזיר תוצאה שגויה בגלל רעש ושגיאות בחומרה?
IBM מגדירה יתרון קוונטי כחישוב שאינו רק חורג מיכולת המחשוב הקלאסי, אלא גם מאפשר אימות קפדני של נכונותו. שלושת המחקרים מציעים תשובות שונות לבעיית האימות. עם זאת, כולם פורסמו בשלב זה ב־arXiv, לפני ביקורת עמיתים, ו־IBM עצמה מציינת שהטענות ימשיכו להיבחן מול שיטות סימולציה קלאסיות חדשות.
מעגל קשה לחישוב הנושא בתוכו מנגנון בדיקה
במחקר הראשון פיתחו חוקרי IBM ואוניברסיטת שיקגו מעגלים קוונטיים מובנים, המבוססים על מעגלי קליפורד שאליהם נוספו שערי T. התוספת הופכת את החישוב לקשה מאוד לסימולציה קלאסית, בעוד שהמבנה הבסיסי מאפשר לעקוב אחר שגיאות באמצעות קוד המתפרס במרחב ובזמן.
בניסוי הפעילו החוקרים מעגל בעומק 70 עם 70 קיוביטים ו־468 שערי T. החישוב קודד באמצעות 97 קיוביטים פיזיים. לאחר סינון הרצות שבהן התגלו תסמיני שגיאה, התקבלה הפחתה של פי עשרה בשיעור השגיאות האפקטיבי.
החוקרים חישבו חסם תחתון של 0.284 לנאמנות המצב, ברמת ביטחון של 95%. אין פירוש הדבר שהחישוב היה נטול שגיאות, אלא שהמבנה המתמטי ומדידות הבקרה אפשרו להציב גבול כמותי לאיכות התוצאה בלי לחשב במחשב קלאסי את מלוא הפלט הקוונטי.
קידמה השתמשה במחשב הקוונטי כמכשיר לחקר חומר קוונטי
המחקר השני, שבו השתתפו קידמה, IBM, מכון RIKEN, חברת BlueQubit וקבוצות מחקר נוספות, עסק בדינמיקת פלוקה של מערכת קוונטית מרובת חלקיקים — מערכת המקבלת עירור מחזורי ויכולה לשמור במשך זמן ממושך על תנודות מאורגנות לפני שהיא מגיעה לשיווי משקל.
החוקרים הפעילו על מעבד IBM Heron r3 מעגלים של עד 74 קיוביטים, שנועדו לדמות מגנט איזינג בגאומטריית heavy-hex. באמצעות תוכנת QESEM של קידמה הם ביצעו הפחתת שגיאות ומדדו את התפתחות המגנטיזציה בדיוק של אחוזים בודדים.
לפי המאמר, בשלב מסוים שתי שיטות סימולציה קלאסיות מובילות כבר לא סיפקו תשובה יציבה: רשתות טנזור לא התכנסו, ואילו שיטת Pauli-path נותרה תלויה מאוד ברמת הקיטום, אף שהחישובים נעשו באמצעות מעבדים גרפיים מתקדמים ומחשב־העל פוגאקו ביפן.
כדי לבדוק שהתנודות שנמדדו אינן תוצר של הרעש במחשב, החוקרים השתמשו בכמה שיטות עצמאיות להפחתת שגיאות, בדקו את מודל הרעש וחזרו על חלק מן המדידות במחשבים קוונטיים מבוססי יונים לכודים של Quantinuum. ההתאמה בין הבדיקות סיפקה, לטענתם, ראיות לכך שההתנהגות שנמדדה משקפת את הפיזיקה של המערכת.
המשמעות המדעית של הניסוי היא שמחשב קוונטי רועש, שעדיין אינו מתקן את כל שגיאותיו, עשוי לשמש מכשיר כמותי לחקר חומר קוונטי בתנאים שבהם שיטות קלאסיות מתחילות לאבד אמינות.
לאמת את תהליך החישוב במקום את התשובה
במחקר השלישי פיתחו חוקרים מ־Algorithmiq, מ־IBM וממוסדות נוספים שיטה לאמידת גודל המכונה operator Loschmidt echo. גודל זה מתאר את האופן שבו מידע מתפשט במערכות קוונטיות מורכבות.
הניסויים נערכו במעגלים של 56 קיוביטים והגיעו לתחום שבו כמה קבוצות המשתמשות בשיטות סימולציה קלאסיות מובילות קיבלו תוצאות שונות זו מזו וגם מן המחשב הקוונטי.
במקום להשוות את התוצאה הקוונטית לתשובת ייחוס קלאסית שאינה זמינה, החוקרים בדקו את יציבותה על פני כמה מחשבים קוונטיים בעלי מאפייני רעש שונים. הם הראו גם כיצד אפשר לקבל אומדנים נטולי הטיה ותחומי שגיאה כמותיים, בתנאי שמודל הרעש של המחשב מתואר במדויק.
כך מועברת שאלת האימות מן השאלה ״האם מחשב קלאסי יכול לשחזר את התוצאה?״ לשאלה ״האם אפשר לבדוק במידה מספקת את תהליך החישוב ואת מודל השגיאות שלו?״.
יתרון קוונטי — אך עדיין לא הכרעה סופית
ג׳יי גמבטה, מנהל המחקר של IBM, אמר כי החברה נמצאת כעת ״באופן מוצק בעידן היתרון הקוונטי״. עם זאת, גם הפרסום של IBM מבהיר שהכרזה על יתרון קוונטי אינה סוגרת את הדיון אלא פותחת את התוצאות לבדיקה קפדנית יותר.
שלושת המחקרים אינם מראים שמחשב קוונטי עדיף כיום על מחשב קלאסי בכל משימה, וגם אינם מדגימים יישום מסחרי מוכח בתחומים כמו פיתוח תרופות, לוגיסטיקה או פיננסים. הם עוסקים בבעיות פיזיקליות וחישוביות מסוימות, שנבחרו בין השאר משום שהן מתאימות לבדיקת גבולות המחשוב הקלאסי והקוונטי.
גם בעבר פורסמו הכרזות על עליונות או יתרון קוונטי, ולאחריהן פותחו אלגוריתמים קלאסיים ששיפרו מאוד את ביצועי ההשוואה. משום כך מפעילה הקהילה את Quantum Advantage Tracker, המאפשר לחוקרים להציג טענות ליתרון קוונטי ולנסות להפריך או לחזק אותן באמצעות שיטות קלאסיות וקוונטיות חדשות.
ההישג הנוכחי חשוב משום שהוא מעביר את הדגש ממספר הקיוביטים בלבד לאמינות התוצאה. אם השיטות יעמדו בבדיקות נוספות, מחשבים קוונטיים עשויים להתחיל לתרום למחקר מדעי עוד לפני הופעתם של מחשבים גדולים בעלי תיקון שגיאות מלא.
שאלות ותשובות
מהו יתרון קוונטי?
מצב שבו שילוב של מחשב קוונטי ומחשוב קלאסי מבצע משימה בדיוק, בעלות או בזמן שאינם ניתנים להשגה מעשית באמצעות השיטות הקלאסיות המובילות בלבד.
מדוע קשה לאמת חישוב קוונטי?
כאשר החישוב גדול מכדי שמחשב קלאסי יוכל לשחזר אותו, אין תשובת ייחוס פשוטה שאפשר להשוות אליה את הפלט הקוונטי.
מה היה תפקידה של קידמה הישראלית?
תוכנת QESEM של קידמה שימשה להפחתת שגיאות ולאימות המדידות בניסוי שדימה דינמיקה של מערכת קוונטית בת עד 74 קיוביטים.
האם הוכח סופית שמחשבים קוונטיים עדיפים על מחשבי־על?
לא. המחקרים מציגים שלוש טענות חזקות בבעיות מסוימות, אך הם עדיין לא עברו ביקורת עמיתים וההשוואה לשיטות קלאסיות נמשכת.
לפרסום המקורי: פתיחת הפרסום המקורי
עוד בנושא באתר הידען
- מחשב קוונטי של IBM סייע לחשב כיצד טריטיום נקשר למלח מותך לכורי היתוך
- חתן פרס וולף ג’ייננדרה ג’יין בראיון מיוחד: כך הפכו אלקטרונים מסובכים לפרמיונים מרוכבים
- רקמות מוח בנות יותר מ־300 מיליון שנה השתמרו במאובן של דג זעיר
- לא מכונת זמן: כך גרמו חוקרים למערכת קוונטית להיראות כאילו היא חוזרת לאחור
- ארה״ב ו־IBM מקימות מפעל ייעודי ראשון לשבבים קוונטיים
