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

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:

• “בעזרת התובנה שקיבלנו מפענוח הגנום של הדבורים נצליח להילחם בקריסת הכוורות” (ראיון עם פרופ’ ג’ין רובינסון, חתן פרס וולף לחקלאות לשנת 2018)
• ישראל תשקיע במערך מיחשוב קוונטי לנושאי בטחון
• התוכנית הלאומית לחישוב קוונטי חיונית לכך שישראל תישאר בחזית המדע והטכנולוגיה
• מערכת לגילויו של אטום יחיד – לשימוש במיחשוב קוונטי