ההיסטוריה של תחום מדעי המידע הקוונטי

מדעי המידע הקוונטי נשענים על הפיזיקה, המתמטיקה, מדעי המחשב וההנדסה, על מנת להבין כיצד לעבד נתונים בדרכים שלא נחזו כלל על ידי האבות המייסדים של מהפיכת המידע הנוכחית, אומר פרופ' צ'ארלס בנט, עמית IBM וחתן פרס וולף לפיזיקה לשנת 2018

מאת צ'ארלס בנט, עמית IBM וחתן פרס וולף לפיזיקה לשנת 2018

פרופ' צ'ארלס בנט מקבל את פרס וולף לשנת 2018 מיו"ר קרן וולף ושר החינוך נפתלי בנט, נשיא המדינה ראובן רבלין, וממלא מקום יו"ר הכנסת, ח"כ נחמן שי. צילום: אבי בליזובסקי
פרופ' צ'ארלס בנט מקבל את פרס וולף לשנת 2018 מיו"ר קרן וולף ושר החינוך נפתלי בנט, נשיא המדינה ראובן רבלין, וממלא מקום יו"ר הכנסת, ח"כ נחמן שי. צילום: אבי בליזובסקי

מדעי המידע הקוונטי נשענים על הפיזיקה, המתמטיקה, מדעי המחשב וההנדסה, על מנת להבין כיצד לעבד נתונים בדרכים שלא נחזו כלל על ידי האבות המייסדים של מהפיכת המידע הנוכחית. שורשי התחום נטועים בשנות ה- 70' של המאה שעברה, כאשר שורת חלוצים לגבות סטפן ווייזנר מאוניברסיטת קולמביה, רולף לנדאואר ואנוכי ב- IBM, דייוויד דויטש באוקספורד וחתן פרס נובל ריצ'ארד פיינמן ב-קלטק, החלות להציג שאלות יסוד דוגמת "כמה אנרגיה נדרשת על מנת לעבד סיבית בודדת של מידע?", או "האם אפקט הקוונטום עשוי לסייע, במקום להוות מכשול, בעיבוד נתונים?"

באותה תקופה, האנשים הספורים שחשבו אודות הנושאים האלה פעלו באופן מבודד: איש לא חשב על התחום כעל המשרה המלאה שלו. אולם בסופו של דבר, רבים מאיתנו נפגשו זה עם זה, וקיבלו השראה בכנס הראשון לפיזיקה של מחשוב, שהתקיים ב- MIT בשנת 1981. שם, הצגתי את הממצאים שלי משנת 1973, במחקר שקיבל השראה מעבודתו של לנדאואר, שבו קבעתי כי אין מגבלה אינהרנטית בסיסית, בלתי ניתנת לצמצום נוסף, הנוגעת לעלות האנרגטית של ביצוע פעולת חישוב. במילים אחרות: ניתן לבצע חישובים במתכונת השומרת על אפשרות להיפוך תרמו-דינאמי מלא: מעבר בין שני מצבים ללא אבדן כולל של אנרגיה. באותו כנס, הציג גם פיינמן את התיזה שלו לפיה על מנת שמחשב יהיה מסוגל לבצע סימולציה אפקטיבית של הטבע – חובה עליו לפעול במסגרת חוקי הקוונטים, ולא במסגרת חוקי המחשוב הקלאסי.

במסגרת הכנס ב-  MIT וכנסים אחרים אותם ארגן הקוסמולוג ג'ון ווילר, באוניברסיטת טקסס, החלו הרעיונות האלה להיות מופצים בקהילה ההולכת ומתהווה של פיזיקאים שהתעניינו בתחום. בעקבותיהם, הלך תחילה ג'יל בראסארד מאוניברסיטת מונטריאול, שהביא את הרעיון לעולם מדעי המחשב.

רוב אנשי מדעי המחשב הפגינו תחילה חוסר נכונות לקבל את רעיון המידע הקוונטי, מתוך אמונה מוטעית לפיה הם יודעים כבר הכל אודות עיבוד נתונים. כיוון שכך, רעיון המחשוב הקוונטי הוגדר תחילה על ידי פיזיקאי: דיוויד דויטש, שהשתתף בכנס של ווילר. כך, החל השידוך בין מכניקת הקוונטים ובין התיאוריה הקלאסית בתחום המחשוב, ונולד תחום מדעי המידע הקונטי, quantum information science.

בשנת 1984, פיתחנו, בראסארד ואני, את מבנה ההצפנה הקוונטי BB84, המאפשרת תקשורת מאובטחת בין צדדים שאינם נדרשים כלל לשתף תחילה ביניהם מידע סודי. חמש שנים אחר כך, ג'ון סומלין, אז תלמיד תואר ראשון ב- MIT ובהמשך ב- IBM, יחד איתי, בנינו את החומרה להדגמה העובדת הראשונה של הצפנה קוונטית. החומרה, שפעלה תחת תוכנה שנכתבה על ידי בראסארד ותלמידיו במונטריאול, ביצעה את פרוטוקול BB84, שהתקיים עד אז על הנייר בלבד.

ב- 1993, בראסארד ואני, יחד עם איש מדעי המחשב קלוד קרפו, המתמטיקאי ריצ'ארד ג'וזסה והפיסיקאים אשר פרס ו-וויליאם ווטרס, גילינו את ה"טלפורטציה הקוונטית": שיטה להפרדה ופיצול של מצב קוונטי בלתי ידוע לשני חלקים: חלק קלאסי וחלק בלתי קלאסי, בדמות סביכות קוונטית (quantum entanglement). שני החלקים האלה נשלחים בערוצים נפרדים, ומורכבים מחדש מאוחר יותר בצד הקולט – על מנת ליצור שכפול מדוייק של המצב הקוונטי המקורי, שהושמד ואבד בתהליך המשלוח.

התגלית אליה הגיע ב- 1994 פיטר שור, במעבדות בל, לפיה מחשב קוונטי יוכל להאיץ באופן אקספוננציאלי את פתרון הבעייה המעשית של פירוק מספר לגורמים שלמים הציתה התעניינות כלל-עולמית בתחום החדש. בינתיים, עבודה מדעית ב- IBM, מעבדות בל ומוסדות אחרים הציגה שורת טכנולוגיות להעברה אמינה של מידע קוונטי גם בערוצים רועשים, ואפשרות מחשוב קוונטי אמין על גבי חומרה בלתי אמינה – החיוניים ליישום מעשי של מחשוב קוונטי, ולא רק על הנייר בלבד.

כמו בכל תחום מדע בסיסי, קשה לחזות כיום את ההשפעות ארוכות הטווח של מדעי המידע הקוונטי, אולם מומחים מקווים כי תהיה להם השפעה עמוקה על תחומי הבינה המלאכותית, מודלים מולקולאריים ובניית מולקולות חדשות, אבטחה מקוונת, מודלים פיננסיים ופיזיקה של חלקיקי החומר. אני גאה על התרומה של עבודתי עם פרופסור בראסארד, להנחת היסודות למדעי המידע הקוונטי, ומאמין כי היא מגלמת את רוחו של פרס וולף: "הישגים לטובת המין האנושי והקשרים בין בני אדם… ללא תלות בלאום, בגזע, בצבע, באמונה הדתית, במין או בדיעות הפוליטיות".

עוד בנושא באתר הידען:

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

4 תגובות

  1. תורת הקוונטים היא תאוריה נסתרת מהעין, אבל הרעיון שלה ניתן למימוש כבר היום וזה נקרא Parallel, העניין שהוא מוגבל מאוד ביחס למעבדים שקיימים, וע"פ רעיון תורת הקוונטים בעיות מורכבות כמו Crypto או Machine Learning יפתרו ב Cycle אחד בגלל המושג Super-Position שמאפשר תוצאה של אפס ואחד בניגוד למה שקיים היום שמאפשר אחד או אפס… בקיצור אותה תאוריה מאפשרת לפתור בעיות מורכבות מאוד ואפשר לדמות אותה בעזרת מחשב אבל עד שנקבל ביצועים אופטימלים יש זמן…

  2. בואו ננסה לשניה להתסתכל על הכתבה, לא כפי שהיא נראית לנו אלא מתוך פרדיגמה רחבה יותר.
    מה אנחנו בעצם רואים?
    שלמרות שכמו שכתבתם מדעי המידע הקוונטי נשענים על הפיזיקה,המתמטיקה ומדעי המחשב, מדעי הקוונטים הם ניסתרים יותר ודורשים מוח והתפתחות מתקדמת יותר על מנת להשיגם.
    אפשר להסתכל גם בצורה שונה. שאותם מדעי המידע הקונטי, דווקא הם שורשיים יותר מאותם מדעי הפיזיקה והמתמטיקה או מדעי המחשב שהם תחומים תחת אבני הבוחן של המדע אמנם אך בכך הינם מוגבלים במה שמסוגלים להוציא לעולם.
    האם קיים שדה ניסתר עוד יותר מתורת הקוונטים שנגלה כמה הוא שורשי והמסובב לכל אלו המדעים?
    שהוא ניסתר בעצם עקב חוסר יכולתנו ומוגבלותנו?
    על שאלה זו יש תשובה אחת.
    רק המציאות ושלבי ההתפתחות יוכיחו אם טענה זו עשויה להתקיים.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן