המיחשוב הקוואנטי עדיין רחוק מיישום מעשי, אך הרעיון זוכה לתמיכה פיננסית מוחשית מאוד מהממשל האמריקני.
אהרון ריקדלה, אינפורמישן וויק, מתוך אתר InformationWeek 10 למאי 2004
בפגישה שנערכה בסוף חודש ינואר במלון מריוט שבוושינגטון, הציגה DARPA – זרוע המחקר העיקרית של משרד ההגנה האמריקני הצעה שנועדה להאיץ את המאמצים לבניית מחשב חדשני, שבתיאוריה עשוי להיראות כמו כוס קפה. ההצעה הוצגה לכמאה מדענים מחברות דוגמת בואינג ולוקהיד מרטין, מהצבא, מהצי, מ- NASA ומאוניברסיטאות מובילות.
DARPA (הסוכנות למחקרים מתקדמים של משרד ההגנה האמריקני) תשקיע השנה למעלה מ- 2.8 מיליארד דולרים במחקר ופיתוח בתחומים שונים. בחודשים הקרובים היא תפעיל תוכנית בשווי מיליונים רבים של דולרים, שנועדה לסייע לשלבי המחקר הראשונים של המיחשוב הקוואנטי בארה”ב. המיחשוב הקוואנטי נחשב לתחום מחקר אזוטרי, אך עוסקים בו גופים רבים דוגמת מעבדות ממשלתיות, אוניברסיטאות וחברות מסחריות – ביניהן AT&T, HP, IBM ומיקרוסופט. מחשבי העל הנבנים על פי החוקים המוזרים של הפיזיקה הקוואנטית פועלים בדרך כלל בטמפרטורות קרובות לאפס המוחלט ונתונים במה שנראה כמו כוס של נוזל יותר מאשר כמו מארז של מכשיר אלקטרוני. בתיאוריה הם מסוגלים לבצע תוך שניות חישובים שעשויים להימשך שעות ארוכות במחשבים של ימינו, ולפתור תוך שעות ספורות בעיות שמחשבי הסיליקון המתקדמים ביותר יזדקקו למאות שנים כדי למצוא להן תשובה. האחסון והעיבוד של המידע מתבצעים בהתאם לחוקי הפיזיקה הקוואנטית החלים על חלקיקים תת אטומיים, אותם תיאר איינשטיין כ”פעילות מרוחקת של רוחות רפאים”.
אם מאמצי המחקר יעלו יפה – ואין שום ערובה שכך אכן יהיה – יחוללו המחשבים הקוואנטיים מהפכה אמיתית בתעשיית המחשבים. בתעשייה חוששים שקצב ההתפתחות של המחשבים, אותו מגדיר כיום חוק מור הקובע כי מדי שנה וחצי תוכפל עוצמת המיחשוב, עלול לרדת בעתיד הקרוב. המחשבים הקוואנטים עשויים לפתור את הבעיה ולחולל מהפכה ביישומים דוגמת הצפנה, הנדסה, חיזוי מזג אוויר, טיסות בחלל ומתמטיקה. מערכות ההצפנה של ימינו, המבוססות על מפתח ציבורי, יהפכו חסרות ערך. שעונים מדויקים מהשעונים האטומיים יכוונו לוויינים וחלליות בדיוק מדהים. מחשבים קוואנטיים עשויים לחולל שיפור שנמדד בחזקות בקצב החיפוש במסדי נתונים ולפתור בעיות שכיום כמעט ואינן ניתנות לפתרון. “אם המחיר יהיה סביר תוכל פראט אנד וויטני לשפר את ביצועי המערכות שלה פי עשר” אומר פיט בראדלי, עמית מחקר למחשוב עתיר ביצועים בחטיבה של יונייטד טכנולוג'יס אשר מייצרת מנועים למטוסים.
המהפכה עוד רחוקה – ייתכן שיעברו עוד למעלה מעשרים שנים עד שניתן יהיה לבנות מחשב קוואנטי שימושי – אבל הפוטנציאל עצום. הרעיון הבסיסי של המיחשוב הקוואנטי הוא שהביטים הקוואנטיים, המכונים qubit, יכולים לייצג הן 1 והן 0 בו זמנית – במקום 1 או 0 במחשבים האלקטרוניים. כל ביט קוואנטי מגדיל את מספר החישובים האפשריים בשיעור חזקתי, בהשוואה לגידול ליניארי במחשבים האלקטרוניים. מחשב קוואנטי שעושה שימוש ב- 14 אטומים לצורך החישובים – פי שניים מאשר במחשבים הקוואנטיים הנוכחיים – יוכל לבצע יותר חישובי הדמיה במקביל (16,384) מאשר מחשב העל המהיר ביותר בארה”ב, המצוי בלוס אלאמוס. אין פלא שמעבדת לוס אלאמוס השקיעה בשנה האחרון 11 מיליון דולרים בחקר המיחשוב הקוואנטי. הדרך להשגת התוצאות האלה עוד ארוכה, אך המימון במסגרת תוכנית של משרד ההגנה עשוי להאיץ את המחקר. כיום משקיע הממשל האמריקני בתחום 80 מיליון דולרים עד תשעים מיליון דולרים מדי שנה.
המטרה של התוכנית שמציעה DARPA, אשר מכונה Foqus (מערכות קוואנטיות ממוקדות – Focused Quantum Systems), היא לבנות מחשב קוואנטי שיהיה מסוגל ליצור מספר בן 128 ביט, כמקובל בתחום ההצפנה מקוונת – במשך 30 שניות וברמת דיוק של 99.99 אחוזים. “DARPA החליטה להשקיע סכומי כסף גדולים בחקר המיחשוב הקוואנטי” אומר נאביל עמאר, מנהל ואסטרטג לפיזיקה של המידע ב- IBM ריסרץ'. “המאמץ ינוהל בצורה מתואמת עד לשלב בו ניתן יהיה לקבוע אם נוכל לבנות מחשב כזה או לא”.
IBM, מעבדת לינקולן של MIT ומוסדות מחקר נוספים יקחו חלק בתוכנית Foqus, במטרה להגדיר את יסודות התכנון של המחשב הקוואנטי – כיצד להזין בו מידע, כיצד לקבל קלט וכיצד לתקן טעויות בלתי נמנעות. DARPA מעוניינת להשתמש במכניקה הקוואנטית כדי ליצור סוג חדש של הצפנה אותה לא ניתן יהיה לפצח אפילו באלגוריתמים המורכבים ביותר. בעוד כמה עשרות שנים יוכלו המחשבים הקוואנטיים לפצח אותות אלקטרוניים שיתקבלו ממטוסי הנוסעים של בואינג וממטוסי קרב – אומר גארי פיצמאייר, סגן נשיא להנדסה וטכנולוגיות מידע בחטיבת המחקר והפיתוח פנטום של בואינג. פיצמאייר השתתף בוועידה שכינסה DARPA וביקר בפקולטה לפיזיקה של אוניברסיטת קיימברידג' כדי לתאם את תוכניות הפיתוח. “המיחשוב הקוואנטי יכול לשפר את אבטחת הנתונים המשודרים באלחוט ממטוסי הקרב F-18 או ממטוסי המעקב AWACs המצוידים ברדאר” אומר פיצמאייר. “איננו רוצים שאותות אלה ישובשו או ייקלטו על ידי גורמים עוינים”. DARPA מתייחסת ל- Foqus כתוכנית אפשרית בלבד, ותציע “בעתיד הקרוב” למדענים לקחת בה חלק, על פי דוברת הסוכנות. הסוכנות מתעניינת במיוחד בפוטנציאל של המיחשוב הקוואנטי לביצוע תקשורת מאובטחת ומדויקת במיוחד.
היתרונות הפוטנציאליים כה גדולים, עד שמיקרוסופט שכרה את המתמטיקאי עטור הפרסים מייקל פרידמן כדי לחקור את האפשרויות התיאורטיות לבניית מחשב קוואנטי ותכנותו. “מה תמצא בעוד שלושים שנה על שולחן העבודה שלך?” שואלת ג'ניפר צ'ייס, מנהלת קבוצת המחקר התיאורטי של מיקרוסופט אשר שכרה את פרידמן – “או על הקיר, או בצמיד, או בטלפון? אם יהיה זה המחשב הקוואנטי הרי שמיקרוסופט רוצה להיות חלק ממנו. אנו רוצים להשפיע על האופן בו ייבנו מחשבים אלה”.
הרעיון לבנות מחשב שיתנהג בהתאם לחוקי הפיזיקה הקוואנטית נולד בשנות השמונים המוקדמות, כאשר ריצ'ארד פיינמן, זוכה פרס נובל מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה, העלה את ההשערה שהדרך היחידה לדמות מערכת של מכניקה קוואנטית – בה החלקיקים יכולים לנוע במגמת השעון וכנגדה בעת ובעונה אחת – היא באמצעות מחשב שיפעל בעצמו בשיטה זו. פריצת הדרך המשמעותית הגיעה בשנת 1994, כאשר פיטר שור, חוקר ממעבדות AT&T בל בניו ג'רזי, הציג אלגוריתם שמסביר באופן תיאורטי כיצד יוכל מחשב קוואנטי לפרק במהירות לגורמים מספרים גדולים. מאחר והקודים המשמשים להגנה על סודות צבאיים ופיננסיים מבוססים על מספרים כאלה, הרי שהכספים הממשלתיים החלו מיד לזרום לחקר המיחשוב הקוואנטי. אולם, על פי האנשים המכירים את תוכנית Foqus, התוכנית החדשה שאפתנית יותר מבחינת היקף המימון וחופש הפעולה שיוענקו לחוקרים מאשר התוכניות הקודמות של הממשל.
אין ספק שהמהנדסים יוסיפו לשפר את הביצועים שמפיקים שבבי הסיליקון, אך תעשיית המחשבים מבינה שלא ניתן יהיה להוסיף ולכווץ את השבבים עד אין סוף. ברגע שהרכיבים מגיעים לרמת הננו, דליפת הכוח והחום מתחילים לפגוע בביצועים. לא ברור עדיין אם ניתן בכלל לייצר מחשבים קוואנטיים בעלי ממדים שימושיים, או אם המכניקה הקוואנטית והאלגוריתמים הנובעים ממנה מדויקים. “אנו נמצאים עדיין בשלבים הבסיסיים, אך אלו שלבים חיוניים בדרך לבניית מחשב מורכב יותר” אומר קרל וויליאמס, מנהל החטיבה לפיזיקה אטומית במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה, אשר קובע את תקני המדידה והזמן בארה”ב. “לא ברור עדיין איזו טכנולוגיה תשמש לבניית המחשבים מהסוג החדש”.
מה שברור לכולם הוא שהמחשבים הקוואנטיים אינם התחליף הפוטנציאלי היחיד למחשבי הסיליקון. HP חוקרת ענף בננו-טכנולוגיה אותו היא מכנה אלקטרוניקה מולקולרית, אשר עוסק בניצול האפקטים הקוואנטיים בחומרים ברמת הננו לבניית מחשבים יעילים יותר. חוקרים מאוניברסיטת דרום קליפורניה השתמשו כבר לפני עשור שנים בתגובות במולקולות DNA כדי לבצע חישובים מסוימים. מדענים ישראלים הודיעו לאחרונה כי תכנתו מחשב DNA שמסוגל לגלות סימנים לסרטן. כולם מחפשים עדיין את הדרך הטובה ביותר לבניית מחשב קוואנטי. בניסויים שביצעו אייזיק צ'אנג וניל גרשנפלד מ- MIT, וכן דייוויד וויינלנד מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה, נעשה שימוש באטומים או ביונים בעלי מטען במלכודת אלקטרומגנטית, בעוד IBM בוחנת חומרים מוליכי על שיכולים ליצור ביטים קוואנטיים. “אנו משקיעים מחשבה רבה בניסיון למצוא פתרונות שונים” אומר עמאר. לפני שבועיים הציגו IBM ואוניברסיטת סטנפורד מחקר משותף בתחום הקרוי ספינטרוניקה, בניסיון לשלוט על האופן בו נעים האלקטרונים, במקום על המטענים החשמליים שלהם. בין השאר ייושם המחקר בבניית מחשבים קוואנטיים.
סוגיה נוספת היא קצב ההתקדמות של המחקר. החוקרים מעריכים שכדי להשתוות למחשבי הסיליקון החזקים ביותר בביצוע משימות דוגמת יצירת קוד של 128 ביט להצפנת דואר אלקטרוני ונתונים באינטרנט, נחוץ מחשב קוואנטי שמבצע חישובים בעזרת מאה אלף אטומים. “לפי שעה אנו מתקשים לטפל באטום אחד או שניים” אומר סטאן וויליאמס, מנהל המחקר הקוואנטי ועמית בכיר ב- HP. “בניית מחשב קוואנטי גדול דומה כיום לניסיון לבנות מחשב על לפני המצאת הטרנזיסטור. צריך להתקדם צעד אחר צעד. קודם נקטוף את הפירות של המחקר הראשוני, וננסה להפיק הכנסות שיממנו את המשך המחקר והפיתוח”.
אחד היישומים שבודקת HP הוא משלוח של ביטים קוואנטיים דרך סיבים אופטיים למשרד ובתים בערים מרושתות. המאפיינים הקוואנטיים של הפוטונים, מקווים החוקרים של HP, יוכלו לדמות תרחישים בשווקים המתנהגים בהתאם לתיאוריית המשחקים, דוגמת השווקים הפיננסיים או המכירות הפומביות. “אנו מנסים למצוא את יישום המחץ” אומר וויליאמס. “במקום לחבוט את הראש בקיר בניסיונות ליצור מספרים גדולים, אנו מנסים למצוא משהו שאנשים יהיו מוכנים לשלם תמורתו ושניתן ליישמו בעזרת qubits בודדים”. המחיר של שירות כזה עדיין לא ברור. “סנט ל- qubit” – וויליאמס מתלוצץ, אך החברות מצפות מהחוקרים להתמקד ברצינות ביישומים שעשויים להכניס כסף. “במעבדה כמו של HP חובה להתמקד במודל עסקי” אומר וויליאמס.
חברות אחרות, למשל אינטל, עדיין אינן מזנקות לתחום החדש. סטייה מחוק מור עלולה לאיים על עסקיה של אינטל, אולם טכנולוגיית המיחשוב הקוואנטי “רחוקה מהדברים בהם מתעניינת יצרנית הפועלת בשוק המוני כמו אינטל” אומר פט גלסינגר, מנהל הטכנולוגיה הראשי של אינטל. החברה מממנת מחקרים מסוימים באוניברסיטאות, אך אף חוקר של אינטל אינו עוסק בכך ישירות. “אינני סבור שיהיו לכך השלכות כלשהן לפני שנת 2020” מעריך גלסינגר. גם בין המשתמשים של מחשבי העל יש ספקנים. איש טכנולוגיה מוול סטריט אומר שתידרש עבודה רבה כדי להצליח בהחדרת המיחשוב הקוואנטי למגזר הפרטי. יהיה צורך להתאים כל שורת קוד בכל יישום.
כמו בכל טכנולוגיה, נשאלת השאלה מתי הזמן המתאים להשקיע כסף ותשומת לב. קשה במיוחד למצוא את התשובה ביחס למיחשוב הקוואנטי, מאחר והיישומים המעשיים עדיין רחוקים מאוד. וויליאמס מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה מודה שמרבית החברות עדיין אינן מפיקות תועלת מהמיחשוב הקוואנטי, “אך ברגע שהספינה תפליג כולם ירצו להיות עליה – אחרת תרחף סכנה על עצם קיומם”.
מדענים: ביצענו טלפורטציה של מידע מוצפן
קבוצת חוקרים מאוניברסיטת קנברה באוסטרליה הצליחו, לטענתם, לשגר מידע מוצפן בתהליך שמספק אבטחה מושלמת באמצעות פיזיקת קוונטים
סוכנויות הידיעות
שיגור עצמים במרחב נראה פשוט למדי בסדרת הטלוויזיה “מסע בין כוכבים”. קפטן קירק מלמל למכשיר הסטאר טק את הקריאה האלמותית “שגר אותי, סקוטי” (Beam me up, Scotty), והוא וחבר מרעיו הפכו לחלקיקים נוצצים על רקע התפאורה הזולה למראה של כוכב שורץ חייזרים, רק כדי לשוב ולהתממש על סיפון ספינת החלל אנטרפרייז.
טלפורטציה הוא שם שהמציאו סופרי מדע בדיוני לתופעה של שיגור אדם או עצם ממקום אחד למקום אחר. התהליך מבוסס על עיבוד, פירוק והרכבה מחדש של קוונטים. העצם המקורי נסרק באופן הקורא ממנו את כל המידע ולאחר מכן משוגר למיקום במרחב בו הוא נוצר מחדש, לא בהכרח מהחומר המקורי אלא מאטומים דומים, המסודרים בדרך זהה כמו המקור.
פקס תלת מימדי
מכונת טלפורטציה, אם תומצא, תהיה דומה למכשיר הפקס, בהבדל אחד: היא תפעל על עצמים תלת מימדיים, ותפיק עותק זהה למקור, תוך הרס המקור, בניגוד לפקס. כמה סופרי מדע בדיוני אף תיארו תהליך טלפורטציה ששומר על המקור, וסיבכו את העלילה, כאשר העצם המקורי והמשוכפל נפגשו. מכונת טלפורטציה “טהורה” אמורה להיות מעין כלי תחבורה על, ולא אמצעי לשכפול בני אדם.
עד לפני כמה שנים, מדענים פקפקו ברעיון הטלפורטציה, מאחר וסברו כי הוא מפר את עקרון אי הוודאות של מכניקת הקוונטים, שמונע מדידה או סריקה של כל המידע באטום או עצם אחר. על פי העקרון, סריקת העצם משפיעה על מצבו ומשנה אותו, ואינה מאפשרת ליצור עותק מדויק שלו. עם זאת, קבוצה בינלאומית של המדענים הצליחה למצוא בשנת 1993 דרך עוקפת להגיון הזה בהתבסס על תכונה של מכניקת הקוונטים הקרויה בשם אפקט איינשטיין-פודולסקי. הם מצאו דרך לסרוק חלק מעצם א', ליצור לו עותק (עצם ב'), לסרוק את מה שנותר, וליצור מחדש העתק זהה (עצם ג').
מאז, מדענים אחרים החלו לפתח ניסויים שמטרתם להוכיח כי ניתן לבצע טלפורטציה של עצמים מיקרוסקופיים כמו אטומים או פוטונים, אך חובבי המדע הבדיוני יתאכזבו לגלות כי שזרוק עצמים גדולים ובני אדם לא יתממש בעתיד הקרוב.
הצפנה מושלמת באמצעות פיזיקת קוונטים
קבוצת חוקרים מאוניברסיטת קנברה באוסטרליה לא ניסו, אמנם, לשגר בעלי חיים או עצמים למרחק, אך לטענתם, הם הצליחו לראשונה, לפחות על הכוכב המסוים הזה, לשגר מידע מוצפן בתהליך שמספק אבטחה מושלמת באמצעות פיזיקת קוונטים.
למי אכפת? להרבה מאוד עסקים גדולים, ארגונים ממשלתיים ואחרים, שעשויים ליהנות מתקשורת מוצפנת. במילים פשוטות, צוות החוקרים גילו כי בעזרת קרן לייזר, הם יכולים לשגר אות לרשת של נמענים שניתן להרכבה על ידי רוב הנמענים. פחות מכך אי אפשר לקרוא את המסר.
פרטים על המחקר מתפרסמים בגיליון האחרון של כתב העת Physical Review Letters, פינג קוי לאם וצוותו. ראש צוות החוקרים, יליד סין בעל השם הסמלי משהו, פינג קוי לאם, ביסס את מחקרו על פריצת דרך שנרשמה באוניברסיטה ב-2002, אז הצליחו חוקרים לשגר מידע למרחק באמצעות קרן לייזר. פינג מתאר את ההישג האחרון כיישום מורכב יותר של טלפורטציה, באופן המאפשר את פענוח השדר רק אם רוב מבין הנמענים קיבלו אותו.
למה לטרוח לשגר מידע באמצעות טלפורטציה כאשר אפשר להשתמש בדואר אלקטרוני מאובטח? קוי לאם הסביר כי התקשורת הקוונטית מספקת אבטחה של 100 אחוז, לא ניתן להעתיקה או לצותת לה.
“אפשר להשתמש בתקשורת מאובטחת המבוססת על פיזיקת הקוונטים כדי להגן על המידע, הליך שקרוי שיתוף מצב קוונטי (quantum state sharing)”, כתב בהצהרה שפירסם, “היתרון בטכנולוגיה שלנו טמון בכך שההודעה המוצפנת ניתנת לפענוח על ידי רוב הנמענים. אם המסר שוגר לרשת של 15 סוכנים, לפחות שמונה מהם צריכים לגשת לקריאת ההודעה כדי לפענח אותה. כך יצטמצמו מאוד הסיכויים לשינוי ההודעה או למחיקתה בידי סוכן כפול”.
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~839105679~~~95&SiteName=hayadan
