לראשונה בעולם: מחשב קוונטי עקף את גבולות החישוב הקלאסי - עם תוכנה ישראלית

אחרי שנים של הבטחות, השקעות של עשרות מיליארדי דולרים וציפייה למהפכה טכנולוגית, עולם המחשוב הקוונטי מסמן ציון דרך משמעותי. לראשונה, מחשב קוונטי הצליח לבצע חישוב מדעי מדויק ומהימן בתחום שבו שיטות הסימולציה הקלאסיות המתקדמות ביותר כבר לא הצליחו לספק תשובה עקבית. מאחורי ההישג עומדים IBM וחברת QEDMA הישראלית, שפיתחה תוכנה להפחתת שגיאות שאפשרה למחשב הקוונטי למצות את יכולותיו מבלי לשנות את החומרה עצמה.

מדובר בהישג שמסמן שינוי בגישה למחשוב קוונטי. במשך שנים ההבטחה הייתה ברורה - מחשבים קוונטיים יוכלו לפתור בעיות שמחשבים רגילים אינם מסוגלים להתמודד איתן. בפועל, הרעש והשגיאות שמאפיינים את המערכות הקוונטיות הפכו את ההבטחה הזו לקשה מאוד למימוש. אפשר לדמות זאת לניסיון להאזין לנגינת כינור עדינה ליד מנוע סילון רועש - גם אם הצליל המקורי מושלם, כמעט בלתי אפשרי להבחין בו.

כאן נכנסת לתמונה QESEM - או "קסם" - תוכנת הפחתת השגיאות של QEDMA. התוכנה מפחיתה את השפעת הרעש הקוונטי ומאפשרת להפיק מהמחשבים הקיימים תוצאות מדויקות ואמינות יותר, ללא צורך בשינויים במעבד עצמו. במחקר הנוכחי שולבה התוכנה עם אחד מהמחשבים הקוונטיים המתקדמים של IBM, והתוצאה הייתה חישוב שלא ניתן היה לבצע באופן מהימן באמצעות שיטות הסימולציה הקלאסיות שנבדקו.

החוקרים בחנו כיצד משתנות התכונות המגנטיות של חומר כאשר המערכת מופעלת שוב ושוב באמצעות פולסים חיצוניים - שאלה בסיסית בפיזיקה של חומרים. ככל שהמערכת גדלה והחישובים התארכו, גם המורכבות החישובית עלתה במהירות. בשלב מסוים, שיטות הסימולציה הקלאסיות כבר לא הצליחו להגיע לתוצאה עקבית.

כדי לבחון את גבולות היכולת של המחשוב הקלאסי, שיתפו החוקרים פעולה עם מכון המחקר הלאומי היפני RIKEN ועם חברת BlueQubit, המתמחה בסימולציה של מעגלים קוונטיים בקנה מידה גדול. החישובים הקלאסיים בוצעו גם על Fugaku, אחד ממחשבי העל החזקים בעולם. כל עוד המערכות שנבדקו היו קטנות יחסית, נרשמה התאמה בין תוצאות המחשב הקוונטי לבין החישובים הקלאסיים. אולם כאשר הבעיה הפכה מורכבת יותר, השיטות הקלאסיות הפסיקו לספק תשובות עקביות. לעומת זאת, לאחר הפחתת השגיאות באמצעות QESEM, המחשב הקוונטי המשיך להפיק תוצאות יציבות גם באזור שבו השיטות הקלאסיות כבר לא הצליחו להגיע לפתרון מהימן.

לדברי החוקרים, היתרון לא התבטא רק במהירות - שהייתה גבוהה פי 100,000 - אלא גם ביכולת להגיע לרמת דיוק שלא הייתה אפשרית באמצעות שיטות החישוב הקלאסיות שנבדקו.

אחד המרכיבים המשמעותיים במחקר היה תהליך האימות. בתחילה השוו החוקרים את תוצאות המחשב הקוונטי לחישובים קלאסיים כל עוד הדבר היה אפשרי. לאחר מכן השתמשו בתוצאות המאומתות כדי לאמת שיטה נוספת, שניתן להפעיל גם על מערכות גדולות יותר. רק לאחר שכל שלבי האימות הושלמו, עברו לחישובים המורכבים ביותר.

בנוסף, כל הניסוי בוצע פעם נוספת על מחשבים קוונטיים של חברת Quantinuum, המבוססים על טכנולוגיית יונים לכודים - גישה שונה לחלוטין מזו של IBM, הנשענת על מוליכי-על. למרות ההבדלים בין שתי הפלטפורמות, שתיהן הניבו תוצאות זהות. מבחינת החוקרים, זו אחת הראיות המשמעותיות ביותר לכך שהתוצאות משקפות את הפיזיקה של המערכת שנחקרה, ולא תקלה במחשב מסוים או בשיטת הפחתת השגיאות.

המחקר מצביע גם על שינוי מעשי בשוק המחשוב הקוונטי. גם מחשבי IBM וגם תוכנת QESEM זמינים כיום באופן מסחרי דרך הענן. בניגוד לניסויים שהתבססו בעבר על מערכות ייחודיות שנבנו במיוחד במעבדה, כאן נעשה שימוש בטכנולוגיות מסחריות הזמינות כבר כיום. המשמעות היא שאין צורך להמתין לדור הבא של מחשבים קוונטיים חסיני שגיאות כדי להתחיל להפיק ערך מדעי מהמחשוב הקוונטי. היכולת לחקור מערכות קוונטיות מורכבות גם כאשר כבר אי אפשר לאמת כל תוצאה באמצעות סימולציה קלאסית מלאה עשויה להרחיב בעתיד את השימוש במחשבים קוונטיים בתחומי המחקר, החומרים, מוליכי-העל, ההתקנים האופטואלקטרוניים ויישומים נוספים.

"מחשבים קוונטיים של IBM הגיעו לרמת בשלות שמאפשרת להם לייצר תוצאות שעוברות בדיקות מקיפות ובמקביל עולות על שיטות הסימולציה הקלאסיות הטובות ביותר", אמר ד"ר ג'יי גמבטה, מנהל IBM Research ו-IBM Fellow. "השילוב בין המחשבים הקוונטיים של IBM לבין הטכנולוגיה של קדמה להפחתת שגיאות הופך את המחשוב הקוונטי לכלי מעשי להרחבת גבולות הידע."

ד"ר אסיף סיני, מנכ"ל ומייסד-שותף של QEDMA, הוסיף כי "במשך עשרות שנים המחשוב הקוונטי הבטיח לאפשר גילויים שנמצאים מעבר להישג ידם של מחשבים קלאסיים. כעת אנחנו מתחילים לראות את ההבטחה הזו מתממשת. באמצעות התוכנה אנחנו משפרים באופן משמעותי את העוצמה והאמינות של המחשבים הקוונטיים הקיימים ומקרבים את התחום להשפעה מעשית ומסחרית."

גם ד"ר מיצוהיסה סאטו, מנהל חטיבת הפלטפורמה המשולבת למחשוב קוונטי ולמחשוב עתיר ביצועים במרכז למדעי המחשוב של RIKEN, הגדיר את המחקר כצעד משמעותי לעתיד שבו מחשוב קוונטי ומחשוב קלאסי ישלימו זה את זה בקידום המחקר המדעי.

QEDMA הוקמה בשנת 2020 על ידי ד"ר אסיף סיני, פרופ' דורית אהרונוב מהאוניברסיטה העברית ופרופ' נתנאל לינדנר מהטכניון. החברה מפתחת תוכנה שאינה תלויה בפלטפורמת חומרה מסוימת ומפחיתה את השפעת השגיאות בחישובים קוונטיים. אהרונוב הניחה כבר לפני כשלושה עשורים את היסודות התאורטיים לתחום תיקון השגיאות הקוונטי, ואילו לינדנר נחשב לאחד החוקרים הבולטים בעולם בתחום המערכות הקוונטיות המורכבות.