IBM והחברה הישראלית שמקרבות את המחשוב הקוונטי לרגע האמת

במשך עשרות שנים המחשוב הקוונטי מוצג כאחת ההבטחות הגדולות של עולם הטכנולוגיה.
בניגוד למחשב רגיל, שמעבד מידע באמצעות ביטים המייצגים אפס או אחד, מחשב קוונטי משתמש בקיוביטים, יחידות מידע שיכולות להציג מצב מורכב יותר באמצעות תופעה הנקראת סופרפוזיציה.
היכולת הזאת עשויה בעתיד לאפשר פתרון של בעיות מורכבות בתחומים כמו פיתוח חומרים, תרופות, אנרגיה והצפנה.
אלא שבין ההבטחה לבין המציאות ניצב מכשול מרכזי.
הקיוביטים רגישים מאוד לסביבתם, ולכן החישובים צוברים רעש ושגיאות במהירות. ככל שהחישוב נעשה גדול וארוך יותר, כך קשה יותר לסמוך על התוצאה.

כאן נכנסת לתמונה קדמה (Qedma), חברת מחשוב קוונטי ישראלית, ששיתפה פעולה עם IBM ‏בניסוי שמסמן התקדמות משמעותית בהתמודדות עם אותה בעיית רעש.
באמצעות תוכנת הפחתת השגיאות של קדמה, הצליחו החוקרים להשתמש במחשב הקוונטי של IBM כדי לחקור תופעה פיזיקלית מורכבת בהיקף שבו שיטות סימולציה קלאסיות מובילות כבר התקשו לספק תשובה עקבית ואמינה.

ההישג זכה להגדרה המחייבת "יתרון קוונטי", אך חשוב להבין מה בדיוק הוכח, ומה עדיין רחוק משימוש מסחרי רחב.

מה בדיוק הצליחו IBM וקדמה לבצע

הניסוי נערך באמצעות מעבד קוונטי מסוג Heron r3 של IBM, המבוסס על קיוביטים מוליכי על.
החוקרים בחנו מודל פיזיקלי המתאר כיצד מערכת קוונטית מגיבה לפעימות אנרגיה חוזרות, ובפרט כיצד התכונות המגנטיות שלה משתנות לאורך זמן.

מדובר בבעיה שהופכת במהירות למורכבת מאוד עבור מחשבים רגילים.
ככל שמספר החלקיקים גדל והקשרים ביניהם מסתבכים, כמות המידע הנדרשת כדי לדמות את המערכת יכולה לצמוח בקצב מהיר במיוחד.

החוקרים הפעילו מעגלים קוונטיים בהיקף של עד 74 קיוביטים והצליחו לזהות תנודות מגנטיות ממושכות בדיוק של אחוזים בודדים.

המשמעות אינה שהמחשב הקוונטי של IBM חזק יותר ממחשב העל בכל משימה.
ההישג מתייחס לבעיה פיזיקלית מוגדרת ולתנאים מסוימים שבהם השיטות הקלאסיות שנבדקו לא סיפקו תשובה עקבית, בעוד החישוב הקוונטי המשיך להציג מבנה ברור.

איך תוכנה ישראלית התמודדה עם בעיית הרעש

המחשב הקוונטי עצמו אינו חסין מטעויות.
למעשה, בלי שכבת התוכנה של קדמה, הרעש בחומרה עלול היה לטשטש את התופעה שהחוקרים ניסו למדוד ולהפוך את התוצאה לבלתי אמינה.

התוכנה של קדמה נקראת QESEM. היא משלבת דיכוי שגיאות והפחתת שגיאות, שתי שיטות שנועדו לצמצם את השפעת הרעש על תוצאות החישוב.

במילים פשוטות, התוכנה לומדת את דפוסי השגיאה של המחשב הקוונטי המסוים שעליו מתבצע החישוב. לאחר מכן היא מתאימה את המעגלים הקוונטיים לחומרה, מריצה גרסאות שונות שלהם ומעבדת את תוצאות המדידות כדי להעריך מה הייתה התוצאה ללא חלק מהשיבושים שיצר המחשב.

היא אינה מתקנת את החומרה עצמה ואינה הופכת את הקיוביטים למושלמים. במקום זאת, היא מנסה לחלץ תוצאה מדויקת יותר מהחומרה הקיימת.
התוכנה גם מציגה טווח שגיאה סטטיסטי, שמסייע לחוקרים להבין עד כמה ניתן לסמוך על התוצאה.

זהו הבדל חשוב.

אחת הגישות בתעשייה היא להמתין למחשבים קוונטיים בעלי תיקון שגיאות מלא, שעשויים לדרוש מספר גדול מאוד של קיוביטים פיזיים כדי ליצור מספר קטן יותר של קיוביטים לוגיים אמינים.
קדמה מנסה להפיק ערך מדעי מהמערכות הקיימות כבר היום, באמצעות תוכנה שמצמצמת את השפעת השגיאות.

למה ההישג מוגדר כיתרון קוונטי

יתרון קוונטי מתקיים כאשר מחשב קוונטי מבצע משימה בצורה שחורגת מיכולתן של שיטות חישוב קלאסיות מובילות, ובמקביל קיימת דרך סבירה לבסס שהתוצאה אמינה.

החלק השני הוא הקשה במיוחד. אם מחשב רגיל אינו מסוגל לחשב את התשובה, כיצד ניתן לדעת שהמחשב הקוונטי לא פשוט סיפק תוצאה שגויה?

כדי להתמודד עם השאלה, החוקרים השתמשו בכמה שיטות הפחתת שגיאות והשוו ביניהן. הם בדקו את התוצאות מול חישובים קלאסיים כל עוד גודל הבעיה אפשר זאת, ולאחר מכן עברו בהדרגה למערכות מורכבות יותר.
חלק מההתנהגות שנמדדה גם שוחזר באמצעות מערכות קוונטיות של Quantinuum, המבוססות על יונים כלואים, טכנולוגיה שונה מזו של IBM.

העקביות בין שיטות החישוב ובין סוגי החומרה חיזקה את הביטחון שהתוצאה משקפת את הפיזיקה של המערכת שנחקרה ולא רק שגיאה ייחודית למעבד מסוים. IBM מציגה את הניסוי כחלק משלושה מחקרים חדשים המדגימים יתרון קוונטי באמצעות מנגנוני אימות שונים.
לפי ההסבר המחקרי של IBM, המטרה היא לא רק לבצע חישוב שמחשב רגיל מתקשה לשחזר, אלא גם לבנות בתוך תהליך החישוב מנגנונים שמאפשרים להעריך את אמינותו.

מה ההישג עדיין לא מוכיח

למרות החשיבות המדעית, עדיין לא מדובר במחשב קוונטי מסחרי שיכול להחליף מחשבים רגילים או לפתור מגוון רחב של בעיות עסקיות.

הניסוי עסק במודל פיזיקלי מסוים, ולא במשימה מסחרית כמו פיתוח תרופה, אופטימיזציה של תיק השקעות או שיפור שרשרת אספקה.
הוא מראה שהחומרה והתוכנה הקיימות יכולות לספק ערך מדעי באזור שבו שיטות קלאסיות מתקשות, אך אינו מוכיח עדיין שניתן לעשות זאת באופן זול, מהיר ורחב מספיק לצורך פעילות עסקית שוטפת.

גם ההגדרה "יתרון קוונטי" אינה סוף הדיון.

ההיסטוריה של התחום כוללת מקרים שבהם חוקרים הציגו יתרון על פני מחשבים רגילים, ולאחר מכן פותחו אלגוריתמים קלאסיים יעילים יותר שצמצמו את הפער. IBM פרסמה את נתוני הניסוי והמעגלים הקוונטיים כדי לאפשר לקבוצות מחקר נוספות לנסות להתחרות בתוצאה באמצעות שיטות קלאסיות.

בנוסף, המחקר פורסם בשלב זה בשרת arXiv כטיוטת מחקר מוקדמת.
המשמעות היא שהנתונים והמתודולוגיה זמינים לציבור, אך נכון למועד הפרסום הם עדיין אינם מחקר שעבר ביקורת עמיתים מלאה בכתב עת מדעי.

המשמעות לIBM ולתעשיית הקוונטום

עבור IBM, ההישג מחזק את מעמדה כאחת החברות הבולטות בפיתוח תשתיות מחשוב קוונטי. החברה אינה מסתפקת בבניית מעבדים, אלא מנסה לפתח סביבם מערכת שלמה הכוללת גישה דרך הענן, כלי תוכנה, שותפים ומנגנונים לאימות התוצאות.

התוכנה של קדמה זמינה דרך קטלוג הפונקציות של פלטפורמת IBM Quantum, ולכן הניסוי גם מדגים כיצד IBM יכולה לחבר בין החומרה שלה לבין פתרונות של חברות חיצוניות.
זהו מודל שמזכיר במידה מסוימת את עולם מחשוב הענן, שבו הערך אינו מגיע רק מהשרתים, אלא מהכלים ומהיישומים שפועלים עליהם.

עם זאת, אין כרגע בסיס לקבוע שההישג ישפיע באופן מהותי על הכנסות IBM בטווח הקרוב.
המשמעות הנוכחית היא בעיקר טכנולוגית ואסטרטגית. הוא מספק הוכחה לכך שההשקעה ארוכת השנים של החברה בקוונטום מתחילה לייצר תוצאות מדעיות שאינן רק הדגמות מעבדה קטנות.

עבור קדמה, מדובר באימות משמעותי ליכולת של התוכנה שלה לעבוד על בעיה מורכבת ובשיתוף עם אחת החברות המזוהות ביותר עם תעשיית הקוונטום. 

השורה התחתונה

הניסוי של IBM וקדמה אינו "רגע הChatGPT" של המחשוב הקוונטי במובן המסחרי.
עדיין אין כאן מוצר שמיליוני משתמשים יכולים להפעיל או פתרון שמייצר שוק חדש בן לילה.

אבל הוא כן מסמן שינוי חשוב.

במקום להציג רק מספר גדול יותר של קיוביטים או ניסוי שקשה לתרגם לערך ממשי, החוקרים השתמשו במחשב קוונטי כדי לחקור תופעה פיזיקלית ששיטות קלאסיות מובילות לא הצליחו לתאר באופן עקבי.

ההישג המרכזי אינו רק כוח החישוב, אלא היכולת לצמצם את הרעש ולבנות אמון בתוצאה. אם התעשייה תצליח להרחיב את היכולת הזאת לבעיות נוספות, המחשוב הקוונטי עשוי להתחיל לעבור בהדרגה מהבטחה עתידית לכלי מחקר מעשי.
הדרך לשימוש מסחרי רחב עדיין ארוכה, אך הניסוי הנוכחי מצביע על כך שהתחום התקדם צעד נוסף מעבר לשלב ההדגמות.