סופר דריו

סופי שולמן

צילום: אלעד גרשגורן

סופר דריו

//

סופי שולמן

//

צילום: אלעד גרשגורן

"המפץ הגדול של המחשוב הקוונטי יגיע כבר בעשור הזה"

פרופ' דריו גיל, המדען הראשי של יבמ, עומד בחזית מהפכת המחשוב הקוונטי, שעומדת לשנות מן היסוד את העולם שבו אנחנו חיים. בריאיון בלעדי הוא מסביר מהם האתגרים שעיכבו את מימוש החלום הזה, למה צריך להיות איינשטיין כדי להבין אותו, ובעיקר מתי נתחיל להשתמש בו בעצמנו

"המפץ הגדול של המחשוב הקוונטי יגיע כבר בעשור הזה"

פרופ' דריו גיל, המדען הראשי של יבמ, עומד בחזית מהפכת המחשוב הקוונטי, שעומדת לשנות מן היסוד את העולם שבו אנחנו חיים. בריאיון בלעדי הוא מסביר מהם האתגרים שעיכבו את מימוש החלום הזה, למה צריך להיות איינשטיין כדי להבין אותו, ובעיקר מתי נתחיל להשתמש בו בעצמנו

גיל בביקורו בישראל, בחודש שעבר. "אנחנו חיים בעידן המרגש ביותר בתולדות המחשוב"

מוסף כלכליסט | 13.10.22

ב

תמונות המעטות שיבמ משחררת, מעבדת המחשוב הקוונטי שלה נראית כמו חדר המנועים של ספינת חלל: חדרים לבנים ובוהקים שמתקרתם משתלשלים אינספור כבלים וצמות מטה אל רצפה צפה, מנוקבת פתחי אוורור. הסבך הטכנולוגי הזה הוא רק הרקע למופע המרכזי: שורות של תומכות מתכת שעליהן תלויים מה שנראים כמו… דודי שמש לבנים.

שם, בתוך הדודים האלה, מתהווה בעצם הימים האלה מהפכה היסטורית. יבמ, דינוזאור מחשוב בן יותר ממאה שנה, מנסה להמציא את עצמה מחדש באמצעות ניצחון באחד המרוצים המדעיים המפרכים, היקרים ומלאי הפוטנציאל ביותר אי פעם: המרוץ לפיתוח המחשב הקוונטי. "אנחנו חיים בעידן המרגש ביותר בתולדות המחשוב", אומר על כך דריו גיל (Dario Gil), סגן נשיא בכיר ביבמ וראש חטיבת המחקר של החברה, בריאיון בלעדי ל"מוסף כלכליסט". "אנחנו עדים לרגע דומה לזה שנרשם בשנות הארבעים והחמישים של המאה הקודמת, כשנבנו המחשבים הקלאסיים הראשונים". שבועות ספורים אחרי השיחה הזו הדברים זכו לאישוש נוסף, כשוועדת פרס נובל הכריזה על הענקת הפרס בתחום הפיזיקה לשלושה חוקרים שמחקריהם שימשו אבן דרך בפיתוח התחום (ראו מסגרת בעמוד הבא).

השם דריו גיל מרעיד הרבה מאוד קוונטים וגם תאים במוח, ואולי אפילו בלב, של פיזיקאים ומהנדסי מחשב בעולם כולו. מדובר במי שמוביל את המאמץ המתקדם ביותר בעולם לפיתוח מחשב קוונטי. בספטמבר, כאשר גיל נחת לביקור קצר בתל אביב כדי לתת את הרצאת הפתיחה בכנס של יבמ, האולם היה מלא מפה לפה בבכירי המהנדסים, חוקרים ממיטב האוניברסיטאות בישראל, וגם נציגים של גופים ממשלתיים — כולם האזינו לגיל מרותקים.

גיל (46) נולד בספרד ועבר לארצות הברית כדי ללמוד באוניברסיטת MIT היוקרתית. הוא סיים את לימודי הדוקטורט שלו שם, ומיד בתום הלימודים החל לעבוד ביבמ בשורה של תפקידי מחקר ופיתוח. מאז 2019 הוא מוביל את חטיבת המחקר של החברה, שמונה 3,000 מהנדסים ב־21 אתרים, בהם גם בישראל. תחת ניהולו, יבמ בנתה ב־2016 את המחשב הקוונטי הראשון ששירותיו זמינים לכל דורש: אם יש לכם שאלה מסובכת אתם יכולים להיכנס לאתר IBM Quantum Experience, לגשת מרחוק דרך הענן לאחד המחשבים הקוונטיים — ולקבל, אולי, תשובה. אבל כמו בכל דבר שקשור במחשוב קוונטים, זה רק נשמע פשוט.

"מחשוב קוונטי הוא לא רק שם למחשב מהיר במיוחד", אומר גיל. למעשה, הוא מסביר, המחשב הקוונטי אינו עוד מחשב־על שמשתמש באותה שיטה בינארית המקובלת בכל מחשב קלאסי, אלא מכונה חדשה לגמרי, שלב נוסף באבולוציה המובילה ממחרוזות צדפים, דרך חשבוניות חרוזים וסרגלי חישוב, עבור במחשבים מכניים מבוססי גלגלי שיניים, אל המחשב האלקטרוני — ועתה אל המחשב הקוונטי. "במהותו, המחשב הקוונטי הוא מעין סימולטור של הטבע, שבאמצעותו אפשר לדמות תהליכים טבעיים, וכך לפתור בעיות שלא היה להן פתרון", מסביר גיל. "אם המחשב הקלאסי הוא חיבור של מתמטיקה ומידע, הרי שהמחשוב הקוונטי הוא חיבור של פיזיקה ומידע".

"הנברשת", לב המחשב הקוונטי (למטה), וד"ר מאיקה טקיטה, אחת החוקרות המרכיבות אותו במעבדות יבמ (למעלה). "גם כשהומצא המחשב הקלאסי, ב־1945, איש לא צפה את מגוון השימושים האדיר שלו". צילומים: flickr by Graham Carlow, flickr by Connie Zhou

החיבור הזה מאפשר לפתור סוגים מסוימים של בעיות במהירות חסרת תקדים: גוגל, שגם היא מפתחת מחשב קוונטי, טענה ב־2019 שהגיעה אל "עליונות קוונטית" — הדגמה של חישוב שמחשב קוונטי יבצע ביעילות רבה יותר ממחשב קלאסי. החוקרים בגוגל הראו כיצד מחשב קוונטי ביצע ב־200 שניות חישוב שלטענתם היה דורש ממחשב קלאסי עשרת אלפים שנה. מאז הטענה הזו הופרכה על ידי חוקרים אחרים, שהציגו אלגוריתם שמאפשר למחשב קלאסי לבצע את אותו חישוב בזמן סביר — אבל אפילו הכישלון הזה של גוגל מספק מושג לכוח העצום שיהיה למחשב הקוונטי.

"המחשב הקוונטי לא מייתר את המחשב הקלאסי: הם יחיו יחד, וכל אחד מהם יפתור בעיות שונות", מסביר גיל. "זה כמו שאשאל אותך איך אפשר להגיע מנקודה א' לנקודה ב': את יכולה ללכת ברגל, לרכב על אופניים, לנסוע ברכב או לטוס. אם המרחק בין הנקודות האלה הוא 50 ק"מ, לא תטוסי ביניהן, נכון? בהתאמה, זה מצב שמתאים למחשב קלאסי. מחשב קוונטי מאפשר לך לטוס, אפילו לירח, ומהר".

תכף תסביר לי איך זה עובד, ובאילו תחומים בדיוק, אבל לפני כן, בוא נתחיל מהשורה התחתונה: מה נוכל לעשות עם זה?

"המחשוב הקוונטי יאפשר לפצח שורת בעיות שנראו בלתי פתירות, באופן שישנה את העולם. הרבה מהסוגיות האלה קשורות באנרגיה. אחרות קשורות בפיתוח חומרים חדשים ומלהיבים. אנחנו נוטים לקחת את החומרים שעומדים לרשותנו כמובן מאליו, אבל בעבר היו עידנים שהוגדרו באמצעות החומרים ששלטו בהם — 'עידן האבן', 'עידן הברונזה', 'עידן הברזל'. מחשוב קוונטי יסייע לנו לפתח חומרים בעלי תכונות חדשות, לכן הסקטור הראשון שכבר עושה בו שימוש הוא התעשייה, בעיקר תעשיית הרכב: יצרניות הרכב מתעניינות בכימיה טובה יותר, שתאפשר ייצור סוללות יעילות ועמידות יותר לרכבים חשמליים. למחשב רגיל זו משימה אדירה, שכדי להשלים אותה ניאלץ לוותר על הדיוק ולהסתפק בתשובות מקורבות בלבד, אבל מחשוב קוונטי יכול לסייע לפתח במהירות חומרים שיתאימו למשימה, אפילו בלי להיכנס למעבדה. היעילות של מחשב קוונטי כשמדובר בשאלות בכימיה מנוצל גם בענף הפארמה, שם מתחילים לעשות שימוש ראשוני במחשבים כאלה כדי לבחון תכונות של מולקולות, ובאופן זה להאיץ פיתוח של תרופות חדשות; וגם בתעשיית הדשנים, שתוכל לפתח חומרים שייצורם לא יפגע בסביבה.

השימושים אינם מוגבלים לעולם החומרי. "לסקטור הפיננסים, למשל, המחשב הקוונטי מאפשר ניתוח של תרחישים, ניהול סיכונים וחיזוי, ובענף כבר מתעניינים מאוד ביישומים אפשריים כאלה", שיוכלו לספק לציבור הרחב ביצועים משופרים דרמטית בתיקי השקעות, למשל.

במקביל, ישנן תעשיות שהמחשוב הקוונטי ייאלץ אותן לחשב מסלול מחדש, ובראשן ניצבת בתעשיית אבטחת המידע. מערכות ההצפנה המודרניות (ובראשן RSA שאחד ממפתחיה הוא פרופ' עדי שמיר הישראלי, ס"ש) הן אסימטריות: כל נמען מפרסם קוד שמאפשר להצפין את המידע הנשלח אליו ("מפתח ציבורי"), שכולל מכפלה של שני מספרים ראשוניים גדולים שנשמרים בסוד. כדי לפענח את המידע המוצפן יש לפרק את המכפלה הזו לגורמים — אבל בלי לדעת מהם המספרים הראשוניים, "המשימה הזו תדרוש ממחשב רגיל חישוב שיימשך שנים רבות", מסביר גיל. "אלא שבעבור המחשב הקוונטי, חישוב כזה יכול להיות עניין של שניות".

יש כאן איום של ממש על תעשייה שלמה, שההיגיון שבבסיסה הולך נבנה כבר משנות השבעים, ועכשיו פתאום נשמטת הקרקע תחתיו.

"נכון, למחשב רגיל דרושות עשרת אלפים שנים כדי לפצח הצפנה שמחשב קוונטי יפצח ברגע. לכן המחשב הקוונטי מאיים על עולם הסייבר וההצפנות, שעומדות בבסיס כל אבטחת המידע העולמית. זו דוגמה שלא קשורה לפיזיקה או טבע, אלא פשוט לכוח המחשוב החזק והמהיר יותר של המחשב הקוונטי".

מה מיוחד במחשב קוונטי?

מחשב רגיל

יחידת החישוב הבסיסית היא ביט. ביט יכול לקבל אחד משני ערכים: 1 או 0

כדי לערוך חישוב, אנחנו משתמשים בביטים שעומדים לרשותנו, משתמשים בהם לביצוע פעולות מתמטיות, ומקבלים תשובה חד־משמעית

כל תוספת של ביט מכפילה את מספר האפשרויות שאנחנו יכולים לחשב פי 2 (כי הביט הנוסף מקבל גם הוא ערך של 1 או של 0)

מחשב קוונטי

יחידת החישוב הבסיסית היא קיוביט. הקיוביט מנצל את העובדה שברמה התת־אטומית חלקיקים לא פועלים לפי האינטואיציה שלנו, אלא נמצאים בכמה מצבים בו־זמנית ("סופר־פוזיציה"). כדי לתאר את כל המצבים האלה במחשוב קלאסי יידרשו הרבה מאוד ביטים. אבל במחשוב קוונטי, הקיוביט מייצג שדה שלם של אפשרויות

באמצעות אלגוריתמים מתוחכמים שפועלים בשיטות הסתברותיות, אפשר לנתח את שדה האפשרויות ולמצוא את האפשרות הסבירה ביותר. זו אינה ודאות מוחלטת, אבל אם חוזרים על הניסוי כמה פעמים ומקבלים אותה תשובה, אפשר להניח שהיא נכונה

כל תוספת של קיוביט מכפילה את מספר האפשרויות שאנחנו יכולים לחשב בעוד שדה שלם של אפשרויות. כך, התוספות מצמיחות את כוח החישוב שעומד לרשותנו באופן מעריכי

המחשב שפועל נגד כל כללי האינטואיציה

כדי להבין את כוחו של המחשב הקוונטי יש לפרק קודם את המושג הזה, "מחשוב קוונטי". השלב הראשון בדרך לשם הוא להפסיק לחשוב במושגים המוכרים של אחד ואפס. תשכחו מהביט הישן והטוב, ומהבינאריות. המפתח להבנת המחשוב הקוונטי הוא ההכרה שהדיכוטומיה הזו אינה נמצאת שם: במקום הביט, המחשוב הקוונטי מסתמך על יחידת מידע בסיסית ששמה קיוביט (Qubit, קיצור של "קוואנטום ביט"). הקיוביט הוא בו־זמנית אחד, אפס וכל מה שביניהם.

זה הרגע לעצור ולהסביר את התיאוריה שעומדת בבסיס המחשב הקוונטי, ושנדמית כנוגדת את השכל הישר. "קוונטיות היא תיאוריה שמאפשרת להסביר התנהגות של חלקיקים מאוד־מאוד קטנים", מתחיל גיל מבראשית. "בבית הספר מציגים לפנינו דגם של אטום שנראה כמו כוכב לכת, עם גרעין ואלקטרונים שנעים מסביב, אבל בתחילת המאה ה־20, המודל הזה התגלה כלא ממש מדויק". זה קרה כאשר פיזיקאים כמו מקס פלאנק ואלברט איינשטיין הבינו שהאור, שעד אז הפיזיקה ראתה בו גל, מתנהג גם כחלקיק — ואת האנרגיה של החלקיק הזה אפשר לתאר רק בקפיצות "קוונטיות", כלומר כמנות בדידות. בעשורים שאחר כך התיאוריה הזו פותחה עוד ועוד, והוכחה כיעילה בתיאור מגוון תופעות בעולם החלקיקים. ועם זאת, המשמעויות העמוקות שלה נותרו סתומות גם כיום.

כזה הוא, למשל, הרעיון שחלקיק נמצא ביותר ממקום אחד. לפי תורת הקוונטים, חלקיק שנע בין שתי נקודות, נע בו־זמנית בכל המסלולים ביניהן, מצב הקרוי "סופר־פוזיציה". זה לא שאנחנו לא יודעים מה מיקומו המדויק: פשוט אין לו מיקום כזה. במקומו, יש לו התפלגות של מיקומים אפשריים שמתקיימים במקביל. במילים אחרות, המציאות אינה ודאית, אלא הסתברותית.

וזו לא החידה היחידה שמציבה תורת הקוונטים. מושג מבלבל אחר הוא "שזירה", מצב שבו כמה חלקיקים מפגינים ערכים פיזיקליים זהים, ומגיבים בו־זמנית לשינוי באחד מהם, אפילו אם הם מצויים במרחק עצום זה מזה. גיל מציע לחשוב על זה כעל הטלת שני מטבעות: כל מי שלמד סטטיסטיקה יודעה שההסתברויות לקבלת "עץ" או "פלי" בכל אחד מהם הן בלתי תלויות. אבל במודל הקוונטי, אם המטבעות (המייצגים כאן חלקיקים) שזורים זה בזה, אזי הטלה של אחד מהם תביא לאותה תוצאה גם בשני. "אינשטיין לא האמין בשזירה, ושנא את הדוגמאות האלה", מחייך גיל.

"המחשב הקוונטי לא מייתר את המחשב הקלאסי. אם את צריכה להגיע למקום שמרוחק ממך 50 ק"מ, את תעדיפי לנסוע ברכב. בהתאמה, זה מצב שמתאים למחשב הקלאסי. המחשב הקוונטי יאפשר לך לטוס, אפילו לירח. ומהר"

ריצ'רד פיינמן, הוגה המחשב הקוונטי. "רק מכונה שעובדת כמו הטבע תוכל לדמות אותו". צילום: The Big T

מדידות שמשפיעות על התוצאות? מציאות שאינה מוחלטת אלא סטטיסטית? חלקיקים שהופכים תאומים גם במרחק אינסופי? אם הרעיונות האלה נשמעים לכם תמוהים, לא מובנים או סותרים את האינטואיציה, אתם לא לבד: "מי שנתקל בתורת הקוונטים ולא נותר המום, לא הבין אותה", אמר הפיזיקאי נילס בוהר, בן זמנו של איינשטיין והבר־פלוגתא הגדול שלו, שזכה בפרס נובל על תרומתו לפיתוח התיאוריה (איינשטיין, אגב, הסתייג מהפרשנות של בוהר למסקנות התיאוריה). פיזיקאי אחר שזכה בפרס נובל על תרומתו לתיאוריה, ריצ'רד פיינמן, הגיב על כך כשאמר: "אם נדמה לכם שהבנתם את התיאוריה הקוונטית, לא הבנתם אותה".

אותו פיינמן הוא אבי המחשוב הקוונטי: הוא רצה לבצע סימולציה של התנהגות חלקיקים, אבל בגלל האופי ההסתברותי של התיאוריה, מחשב קלאסי שינסה לבצע סימולציה כזו יידרש לכמות עצומה של חישובים, כך שהסימולציה תהפוך לא־פרקטית. "פיינמן, וכמוהו פיזיקאים אחרים, חשבו שענף המחשוב התמקד באופקים מתמטיים והתרחק מדי מהטבע, ושדווקא פיזיקה יכולה להיות מקושרת יותר לעולם המידע", מסביר גיל. "בהרצאה היסטורית שנתן ב־1981, פיינמן טען שאין מה לתת למחשב קלאסי להתמודד עם סימולציית חלקיקים, מכיוון שהטבע אינו קלאסי. הוא אמר, 'אם אנחנו רוצים לעשות הדמיה של הטבע, אנחנו זקוקים למכונה שתתנהג כמו הטבע, באופן קוונטי'". ב־1998 החזון הזה התממש, כשהמחשב הקוונטי הראשון נבנה באוניברסיטת אוקספורד בבריטניה.

מחשב קוונטי מנצל את התכונות החידתיות של תורת הקוונטים, אלו שאינן מובנות לנו עד הסוף, כדי לבצע פעולות חישוב. במחשב רגיל, יחידת המידע הבסיסית היא "ביט", שיכול לקבל אחד משני ערכים, 0 או 1; שימוש בביטים כאלה מאפשר לבצע כל חישוב שתעלו על הדעת — אם כי חלק מהחישובים הללו עלולים להימשך זמן ממושך מאוד. במחשב קוונטי, הקיוביט, הודות לסופר־פוזיציה, מייצג לא ערך אחד מוחלט, אלא התפלגות של ערכים. "אפשר לחשוב על זה כעל שאלה של יותר ממדים: אחד ואפס הם רק הקצוות, הקטבים של מטבע למשל, אבל יכולה להיות לו גם הטיה הצידה", מסביר גיל. באמצעות גישות סטטיסטיות אפשר לבחון את מצבו של הקיוביט ולקבל תוצאות שימושיות. הגישה ההסתברותית הזו אינה מתאימה לכל בעיה, אבל בפתרון בעיות מסוימות היא יעילה לאין שיעור יותר מהחיפוש של המחשב הקלאסי אחרי תשובה אבסולוטית.

"בגלל אפקט השזירה, אפשר גם לגרום לכך שהקיוביטים ישפיעו זה על זה", אומר גיל. וכיוון שכל קיוביט מייצג שדה שלם של אפשרויות, כל תוספת של קיוביט מגדילה את מספר הקשרים האפשריים בין הקיוביטים בעוצמה הולכת וגדלה באופן מעריכי (במחשב הקלאסי, לעומת זאת, תוספת ביטים צומחת באופן ליניארי). כרגע, יבמ מחזיקה בשיא הקיוביטים: אשתקד היא חשפה מעבד קוונטי עם 127 קיוביטים, ומטרתה המוצהרת היא להשיק עוד השנה מעבד עם 433 קיוביטים, ובשנה הבאה מעבד עם 1,021 קיוביטים.

נילס בוהר, מאבות תורת הקוונטים (מימין) עם אלברט איינשטיין, ידידו והבר־פלוגתא שלו. "כל מי שמעיין בתורה הזו, נדהם". צילום: Paul Ehrenfest

שלוש מעלות קר יותר מהחלל החיצון

השאיפה הזו היא יומרנית יותר משנדמה. מתברר ש"לבנות מכונה שתתנהג כמו הטבע" הוא סיפור מורכב מאין כמוהו: הקיוביטים רגישים מאוד להשפעות מבחוץ, מה שהופך את בניית המחשב לעסק מסובך ויקר מאוד. "המחשב הקוונטי הוא מאוד עוצמתי, אבל באותו זמן גם מאוד עדין", מסביר גיל: "הוא מנצל תהליכים פיזיקליים שמתרחשים בעולם, אבל תהליכים כאלה הם מערכת שבה הכל מחובר, הכל משפיע על הכל, וזה יכול לשבש את התוצאות: אם אנרגיה מהעולם החיצוני תיכנס פנימה ותתחבר לקיוביטים, זה יגרום להם להתנהג כמו ביטים רגילים, וכך תלך לאיבוד היכולת הייחודית של החישוב הקוונטי. לכן מחשב קוונטי חייב להיות מבודד מאוד מכל הסביבה. האתגר הגדול הוא לייצר מערכת שתהיה מבודדת מספיק מהעולם החיצוני, אבל לא מבודדת מדי".

כשאני מנסה לברר מהי עלות הבנייה של מחשב קוונטי — וביבמ נבנו כבר 40 כאלה — גיל מתחמק מתשובה ברורה, אבל מספיק לשמוע במה המאמץ הזה כרוך: "יש כמה גישות שונות לבניית מחשב קוונטי; יבמ בחרה בגישה קריוגנית, כלומר הקפאה עמוקה, ושימוש במוליכי־על. הטמפרטורה במחשב קרובה לאפס המוחלט: בתחתית המארז שלו הטמפרטורה היא מינוס 273 מעלות צלזיוס — שלוש מעלות פחות מטמפרטורת החלל החיצון, ופחות ממעלה אחת מעל האפס המוחלט. הטמפרטורה צריכה להיות קרובה לאפס המוחלט, אבל לא להגיע אליו, כי אז אין תנועה בכלל, אפילו לא של האטומים".

התוצאה היא מארז קירור והגנה שמזכיר בצורתו דוד שמש, ובתוכו יחידת החישוב, שצורתה הקנתה לה את הכינוי "שנדליר" ("נברשת") בפי גיל וצוותו. "בתוך שכבות ההגנה יש צילינדר ובו המעבד. גם אם רק שבריר של חלקיק אנרגיה ייכנס לתוך המחשב, ממש שבריר של כלום, די יהיה בזה כדי לשבש את התוצאות", מבהיר גיל.

הרגישות הרבה, ודרישות ההגנה שנגזרות ממנה, גורמות לכך שהמחשב הקוונטי מסורבל למדי: בדגמים החדשים ביותר, שמנסים לכלול עוד ועוד קיוביטים, המארז כבר מגיע לגובה של כמה מטרים. במידה מסוימת זה מזכיר את הדורות הראשונים של המחשבים הקלאסיים, שנראו כמו ארונות ענקיים. המחשבים הקלאסיים ההם הלכו והתמזערו, עד שכיום אנחנו דוחסים כוח מחשוב גדול פי מיליונים לתוך סמארטפון פשוט, אבל במקרה של המחשבים הקוונטיים אי אפשר לצפות לתהליך דומה: "המחשב הקוונטי דורש תנאים ייחודיים שאי אפשר לייצר במכשיר קצה פשוט, וזה לא ישתנה בעתיד הנראה לעין", מסביר גיל. "אני מאמין שמחשוב קוונטי יהיה שירות שנוכל לגשת אליו מרחוק, כפי שניגשים היום לשירותי ענן. זה יעבוד בדומה למה שיבמ מאפשרת כבר היום: המחשב יושב אצלנו, ואנחנו מאפשרים לגשת אל 'המוח' ולקבל תשובות. מ־40 המחשבים שבנינו מאז 2016, כיום 20 זמינים לציבור. כחצי מיליון משתמשים בכל העולם כבר עשו שימוש ביכולות המחשב הקוונטי שבנינו, ועל בסיס השימוש הזה כבר פורסמו כאלף פרסומים מדעיים".

"מחשב קוונטי יסייע בפיתוח חומרים חדשים שיוכלו לשמש, למשל, לייצור סוללות מתקדמות לרכב חשמלי, תרופות יעילות יותר, או דשנים שאינם פוגעים בסביבה. לסקטור הפיננסי הוא יאפשר לנהל סיכונים ברמות שלא הכרנו"
גיל (מימין) בתוך מארז קירור של אחד המחשבים הקוונטיים, עם מנכ"ל יבמ אָרבינד קְרישנָה. בחברה צופים מסחור של התחום כבר ב־2027. צילום: Connie Zhou/IBM

גוגל ומיקרוסופט מחממות את התחרות

יבמ אינה החברה היחידה שמשתתפת במרוץ המחשוב הקוונטי, אבל גיל משדר ביטחון מלא ביכולתה להוביל אותו: לדבריו, לרוב המתחרים יש רק חלקים מהמערכת הכוללת, אבל לא מחשב שלם זמין לפתרון בעיות. גוגל, כאמור, היא מתמודדת חזקה במרוץ הזה, וגם היא מאפשרת גישה מרחוק לשירות המחשוב הקוונטי שלה, Google Quantum AI; גם מיקרוסופט פועלת לאספקת שירות דומה בפלטפורמת הענן שלה, Azure.

בינתיים, המחשוב הקוונטי הוא הבטחה "על הנייר". היסודות התיאורטיים למהפכה הזו הונחו כבר לפני 40 שנה, ההוכחות הראשונות הוצגו לפני יותר מ־20 שנה, התעשייה רוחשת באזז סביב התחום הזה כבר כמה שנים טובות — ועדיין לא ראינו שימושים שישרתו אדם מן היישוב.

"אם תחזרי לשנות הארבעים, אז הומצאו המחשבים הראשונים, תראי שגם אז השימושים והיתרונות של ההמצאה החדשה לא היו ברורים. מי שראה את המחשבים הראשונים אמר, 'אה, יופי, אפשר לפצח עם זה את הקוד של מכונות הצפנה במלחמות, אולי גם לחשב מסלולים של טילים בליסטיים, וזהו. מי ישתמש בזה? אף אחד'", צוחק גיל. "באותו אופן, הצלחת המחשוב הקוונטי תנבע מהשימושים שלו: כמה קל יהיה לתכנת אותו, כמה גדולה תהיה קהילת המשתמשים, אילו כישרונות יגיעו לשם. המהפכה הקוונטית תובל על ידי קהילה, ולכן החינוך לתחום הזה כל כך חשוב: אנחנו צריכים שעוד ועוד אנשים חכמים יתחילו לחשוב 'איך אני יכול להיעזר במחשוב קוונטי כדי לקדם את התחום שלי'.

"מה שמתחיל בימים אלה הוא שלב הדמוקרטיזציה של המחשוב הקוונטי, שיאפשר לכל אחד לתקשר עם המחשב מבלי להיות מתכנת מתקדם בתחום: אפשר יהיה לגשת אליו עם שאלה או משימה שיהיו כתובות בשפות הקלאסיות של אחד או אפס. לכן כבר היום אנחנו רואים יותר שימוש ביכולת המחשוב הקוונטיות.

"ישנם גם סטארט־אפים רבים שלא פועלים דווקא להקמת מחשב קוונטי, אלא מתמקדים ברכיבים שונים של העולם הזה (כזו היא למשל Quantum Machines הישראלית, המפתחת מערכות חומרה ותוכנה למחשבים קוונטיים, וביולי האחרון נבחרה על ידי רשות החדשנות להקמת מרכז המחשוב הקוונטי הישראלי, ס"ש). הפעילות של חברות כאלה יוצרת אקו־סיסטם חדש לגמרי, וכך מקדמת את הענף ומזרזת את התפתחותו, בדיוק כמו שקורה היום בתחום המחשבים הרגילים. גם יבמ לא תסתמך רק על עצמה: נרצה ליהנות מהחדשנות של אנשים חכמים בתחום הזה, כמובן גם בישראל.

"אני משוכנע שהמפץ הגדול של המחשוב הקוונטי יקרה עוד בעשור הזה. השאיפה שלנו ביבמ היא להדגים את 'העליונות הקוונטית' כבר בשלוש השנים הקרובות. אני מאמין שהשילוב של התקדמות בבינה המלאכותית, יחד עם המחשוב הקוונטי, יחוללו בענף מהפכה מהסוג שאנבידיה עשתה בשוק שלה (אנבידיה פיתחה מעבדים ייחודיים למחשבי גיימינג, שהפכו אותה לחברת השבבים שהגיעה הכי מהר להכנסות של מיליארד דולר, ס"ש). המחשוב הקוונטי יכול לייצר ערך עצום בענף. זה קשה באופן פנומנלי, אבל ברור לי שאת השימושים נראה כבר בעשור הנוכחי".

שוזרים וזוכים
פרס נובל פותח אופק חדש למחשוב הקוונטי

המחשוב הקוונטי מצית את דמיון החוקרים כבר עשורים רבים, אבל עד כה לא יצא מגבולות המעבדות. אלא שהענקת פרס נובל לשלושה חוקרים בתחום, רק לפני שבועיים, מסמנת כי החזון הופך למהפכה אמיתית. אלן אספה הצרפתי, ג'ון קלאוזר האמריקאי ואנטון ציילינגר האוסטרי קיבלו את הפרס עבור מחקרים שערכו (בנפרד) מאז שנות השבעים, ושבהם בחנו את תופעת השזירה הקוונטית (המתוארת בכתבה), הוכיחו את קיומה והניחו מסילות לשימוש טכנולוגי בה.
הענקת הנובל לחוקרי השזירה מוכיחה שמחשוב קוונטי הוא יותר מתרגיל מחשבתי לכת של פיזיקאים, ומהווה רגע מכונן גם עבור חברות שמשקיעות הון בפיתוח התחום. אלו נדחפות למאמץ הזה בשל שינוי יסודי בעולם שבו הן פועלות: בעשורים האחרונים התנהל עולם המחשוב לפי "חוק מוּר", החוזה שצפיפות הטרנזיסטורים במעבדי מחשב תוכפל מדי שנתיים באופן שישוב ויגדיל את כוח החישוב של השבבים הללו. אלא שככל שהתעשייה מתקרבת לגבול הפיזיקלי שאחריו אי אפשר יהיה לדחוס עוד טרנזיסטורים על גבי שבב, הצורך בפיתוח מחשב קוונטי נהפך אקוטי.
גם המספרים מאותתים שמשהו קורה בשטח. ב־2020 היקף שוק המחשוב הקוונטי עמד על פחות מחצי מיליארד דולר, אך בסוף 2021, באיתות המסמן כי החזון מתחיל להתממש, פרסמה חברת המחקר IDC הערכה שלפיה ב־2027 היקף השוק יגיע ל־8.6 מיליארד דולר וההשקעות בתחום יעמדו על 16 מיליארד דולר (לעומת 700 מיליון דולר ב־2020 ו־1.4 מיליארד דולר ב־2021). גם מנכ"ל יבמ אָרבינד קְרישנָה העריך לאחרונה כי ב־2027 המחשוב הקוונטי יהפוך ענף מסחרי של ממש.

פרופ' אנטון ציילינגר, שזכה לאחרונה בפרס נובל על מחקריו בתחום השזירה הקוונטית. ככל שהמחשוב הקלאסי מתקרב לגבול העליון שלו, הצורך במחשוב קוונטי הופך אקוטי. צילום: אי.אף.פי