קבוצה בינלאומית של חוקרים הצליחה בפעם הראשונה לדמות ולחשב תהליך כימי באמצעות מחשב קוונטי המבוסס על יונים כלואים
Credit: Harald Ritsch/IQOQI Innsbruck
סימולציה של מולקולה בעזרת מחשב קוונטי
קבוצת חוקרים שבמרכזה ד”ר קורנליוס המפל מאוניברסיטת סידני חקרו דרכים יעילות למדל ולחשב קשרים וראקציות כימיות באמצעות מחשבים קוונטים. המאמר פורסם בכתב העת Physical Review X של האגודה האמריקאית למחקר בפיזיקה. “אפילו מחשבי על מתקשים למדל באופן מדויק תהליכים כימיים בסיסיים. מחשב קוונטי יכול לסמלץ (לדמות) את הטבע ולחשוף ידע חדש על עולם החומר. מחשבים קוונטים יעניקו לחוקרים אמצעים חדשים לפתור בעיות במדעי החומר, רפואה ובתעשייה כימית בעזרת סימולציות שידמו את המתרחש”.
המחקר על מחשבים קוונטיים עדיין בחיתוליו ועדיין לא ברור אילו בעיות מכשיר זה יוכל לפתור באופן יעיל, אך התחום שעליו מרבית החוקרים מסכימים עליו הוא כימיה קוונטית. זו תהיה ככל הנראה ההצלחה המשמעותית ביותר עבור מחשבים קוונטים בתקופה הקרובה.
כימיה קוונטית מלמדת אותנו על הקשרים הכימיים המורכבים בין אטומים ומולקולות- על קשרים אלו ניתן ללמוד בעזרת חוקים של מכניקת הקוונטים. בעזרת אלגוריתמים שניתן ליישם במחשבים קוונטיים מדענים מצפים לגלות דרכים פשוטות יותר, חסכוניות יותר באנרגיה ליצור מולקולות, כדי שתעשיית החומרים ועולם הרפואה יוכלו לחסוך בעלויות ולהגדיל את הייצור. מחשבים קוונטיים עשויים לעזור בפיענוח דנ”א, רפואה מותאמת אישית, הגדלת יעילותם של תאים סולריים ויצירת סוללות חזקות מאוד.
ד”ר המפל, יחד עם קולגות ממרכז לאופטיקה קוונטית והמרכז לאינפורמציה קוונטית באוסטרליה השתמשו במחשב קוונטי עם 20 קיוביטים כדי להריץ אלגוריתם שמדמה קשר כימי של מולקולה הבנויה מאטום המימן וליתיום הידריד (ליתיום הקשור לאטום מימן). המולקולה הזו נבחרה בכוונה משום שזו מולקולה שיחסית קל לדמות אותה גם עם מחשבים קלאסיים (לא קוונטיים) וכך המדענים יכולים לבדוק ולהשוות את התוצאה שקיבלו עם הידע הספרותי הקיים. ד”ר המפל אמר: “זהו צעד משמעותי בקידום טכנולוגיה קוונטית, בעזרת סימולציה זו אנחנו יכולים לבחון מה עובד, מה לא וכיצד ניתן לשפר”. במחקר של ד”ר המפל התמקדו הוא וצוותו על דרכים לשפר את האלגוריתם הידוע לדימוי מולקולה זו. על ידי שיכתוב של הקוד הקוונטי החוקרים מצאו דרכים חדשות לדכא את השגיאות בחישוב ולעלות על הדיוק בסימולציה.
על מחשבים קוונטיים וכליאת יונים
המידע במחשבים בייתיים נשמר ומועבד באופן בינארי ביחידות זיכרון הנקראות ביטים (יחידות זיכרון הקטנות ביותר) שיכולות להיות אפס או אחד. כלומר כל תו, או כל פקודה שתקלידו במחשב מתורגם לסט מספרים ייחודיים של 0,1. ביטים אלו בנויים מטרנזיסטורים שהם למעשה מתגים שבמצבים מסוימים מעבירים זרם (במקרה זה נקרא להם 1) או מונעים מהזרם לעבור דרכם (ולמקרה זה נקרא 0). לעומתם, הביטים של המחשב הקוונטי (הנקראים קיוביטים) הם למעשה יונים (חלקיקים טעונים). כדי שחלקיקים ישמשו כטרנזיסטורים צריך למצוא תכונה שיכולה להכיל לפחות שני מצבים שונים בחלקיק (בדומה למתג).
תכונה זו נקראת ספין – חוקרים מפשיטים את התיאור של הספין כאילו החלקיק מסתובב סביב עצמו ממש כמו שכדור הארץ מסתובב סביב עצמו ויוצר את הימים. כאשר החלקיק מסתובב עם כיוון השעון ערכו הבינארי יהיה אפס ונגד כיון השעון ערכו הבינארי יהיה אחד. להבדיל מכדור הארץ שיכול להסתובב רק בכיוון אחד כל פעם, חלקיק קוונטי יכול להיות “קצת” מכל דבר בו זמנית. זוהי תכונה ידועה בקוונטים שנקראת סופר- פוזיציה שמאפשרת לחלקיק להיות במידה מסוימת מסובב עם כיוון השעון ובמידה אחרת להתסובב נגד כיוון השעון. זוהי תכונה לא אינטואיטיבית כי היא נוגדת את המציאות שאליה אנחנו רגילים, אבל בהחלט שגורה שניתנת למדידה בעולם הקוונטי. סופרפוזיציה מאפשרת למחשב קוונטי להיות בכמה מצבים בו זמנית ולאפשר למחשב למצוא את הפיתרון לבעיה במהירות ויעילות, למעשה כל קיוביט מעלה פי 2 את מספר המצבים שהמחשב הקוונטי יכול להיות בו בכל רגע. כדי לשמור על תכונה זו שכה חשובה למחשבים קוונטים (אך לא היחידה) ולבצע באמצעותם חישובים יש צורך לכלוא את החלקיקים במקומם ולבודד אותם מהסביבה.
בעזרת טכנולוגיה ידועה של כליאת יונים על ידי גלי מיקרו ניתן לבנות את המעבד למחשב הקוונטי. החישוב נעשה על ידי איטרקציה עם החלקיקים באמצעות “ירי” ממוקד של קרני לייזר על החלקיקים. גם עם מספר מועט מאוד של קיוביטים, חוקרים סבורים שניתן לפתור בעיות ששום מחשב קלאסי בעולם כיום או בעתיד לא מסוגל לענות.
2 תגובות
זאת שאלה מצוינת, שהתשובה לא הייתה ברורה מאליה לחוקרים כשהם חשבו על מחשבים קוונטים. הטענה שמחשבים קוונטים יכולים לחשב מהר יותר צריכה בסופו של יום להימדד על פי מספר הפעולות שמבצעים כדי להגיע לפיתרון. ככל שמספר הפעולות קטן יותר, המחשב מהיר יותר. מדעני מחשב כבר חשבו בעבר על מחשב עם 3 מצבי ביט – 0,1,2 או יותר וראו ששום אלגוריתם במחשב מוזר זה יכול לגבור על מחשבים עם שני מצבים בודדים של 0,1, אז איך מחשב קוונטי, שלכאורה מכיל בתוכו אינסוף מצבים לכל ספין עדיף? מסתבר שבמחשבים קוונטים ישנם אלגוריתמים שגוברים במהירותם על מחשב קלאסי, למשל אלגוריתם החיפוש של גרובר. נניח שאתה מעוניין לחפש קלף בודד בחפיסת קלפים. השיטה הפשוטה והידועה היא לעבור כל קלף בנפרד ולבדוק האם זהו הקלף המיועד. אם ניתן את אותה בעיה למחשבים קוונטים, מספר הפעולות יהיו לכל היותר שורש מספר הקלפים בידך.
כדי להבין בפועל איך אלגוריתם כזה עובד צריך להבין כמה דברים על מכניקת הקוונטים אבל הרעיון הולך באופן הבא – נניח שיש בידך 10 קלפים ואתה מעוניין למצוא קלף בודד. אתה לא יודע מה הקלף ולכן אתה אומר שכל אחד יכול להיות הקלף שתרצה בהסתברות שווה. לטענה הזו אנחנו קוראים מצב קוונטי ובאמת יש לו משמעות פיזיקאלית – נניח ואכן ההסתברות שווה, כשאני אגיד למחשב הקוונטי לשלוף לי קלף הוא יבחר באקראי קלף ובמצב כזה רק עשירית מהפעמים ישלף הקלף שחיפשנו. מעתה נצמיד לכל קלף מספר שייצג את ההסתברות שהמחשב הקוונטי ישלוף את הקלף ברגע שיתבקש, או במילים אחרות כאשר המחשב “ימדוד” את המערכת. כאן גם מגיע תפקידה של הסופרפוזיציה – הטענה שקיימת הסתברות כלשהי לשלוף כל קלף אומרת שהחבילה שלי כעת נמצאת במצב “סופרפוזציה”, מאין מצב מעורב שכל קלף בחבילה אפשרי להישלף.
כעת אני מפעיל על המצב הקוונטי הזה (או במילים שלנו על חבילת הקלפים) את סדרת הפעולות של אלגוריתם גרובר – כל פעם שפעולה כזו תפעל על המצב הקוונטי המספר שמצומד לקלף שאותו אני מחפש יגדל, כלומר ההסתברות שהמחשב הקוונטי ישלוף אותו יגדל ובשאר המספרים יקטן. כדי שהמדידה תהיה מספיק ודאית צריך להפעיל את הפעולה הזו מספיק פעמים. מספר הפעמים עם זאת קטן בהרבה ממספר הפעולות במחשב קלאסי, ואפילו נהיה משמעותי מאוד כשמספר הקלפים גדול מאוד ( זכור שמספר הפעלות למציאת הקלף במחשב קוונטי עומד על שורש מספר הקלפים, אך במחשב קלאסי לעומת זאת עומד על ממש מספר הקלפים שיש). אז נכון, יכול להיות מצב שהמחשב יגלה לנו קלף לא נכון, אבל ההסתברות לכך תהיה קטנה מאוד.
יש כאלה שאוהבים לטעון את האמירה הבאה לגבי מחשבים קוונטיים: משום שכל המצבים קשורים אחד בשני ומשום שהם יכולים להיות בכל מצב בו זמנית, מחשבים קוונטים יכולים לעבור בכל האפשרויות במקביל ולגלות לנו את התשובה במיידית, לעומת מחשבים קלאסיים שעוברים על אפשרות אחת בכל רגע ולכן יקח להם זמן רב להגיע לתשובה. הטענה הזו לא מדויקת – זה נכון שמחשב קוונטי עובר על כל האפשרויות אבל אנחנו צריכים לעזור לו במידה מסוימת למצוא את התשובה שאותה אנו מחפשים, ולשם כך קיימים האלגוריתמים.
יש בעיות שמחשב קוונטי לא עולה ביכולותיו על מחשב קלאסי, ולא תמיד עולם הקוונטיים מהווה יתרון, אבל בבעיות חיפוש, ובעיות נוספות מחשב קוונטי בעל יתרון אדיר.
בענייו הכתבה – תופעות קוונטיות כמו קשרים כימיים בידיוק נתקלים בקשיים אלו – משום שמולקולות כפופות לחוקים הקוונטיים ויכולות להיות בכמה מצבים בו זמנית נשאלת השאלה איך מולקולה מחליטה להסתדר בדרך הזו דווקא? – למעשה כל החלקיקים בטבע יעדיפו להסתדר במצב שיצריך מהם הכי פחות אנרגיה להיות בו, השאלה מהו? יש המון אפשרויות לחפש ומחשבים קוונטים יכולים לעזור לנו למצוא אותם.
אחרי קריאה של הרבה מקורות, אף אחד לא באמת מבין מהו מחשב קוונטי.
כולם יודעים לדקלם מהו קיוביט, לדבר על סופרפוזיציה, אבל אף אחד לא יודע להסביר כיצד זה שימושי.
אם מדידה מקריסה את מצבו של יון ל-0 או -1 דטרמניסטי … מה זה עוזר לי שלפניכן הוא היה במצב מעורב ?
אף אחד לא יודע להסביר את זה, ואשמח אם פה יופיע החכם הראשון שיודע להסביר זאת בשפת בני אדם.