שלושה מחקרים חדשים מציבים את אימות התוצאות והפחתת השגיאות במרכז המרוץ ליתרון קוונטי; תוכנת QESEM של קידמה הישראלית שימשה למדידות מדויקות במעבד IBM Heron בן עד 74 קיוביטים
IBM, החברה הישראלית קידמה (Qedma), אוניברסיטת שיקגו, Algorithmiq ושותפות מחקר נוספות פרסמו שלושה מאמרים שבהם הן מציגות הדגמות של יתרון קוונטי שניתן לבסס את האמון בתוצאותיו גם כאשר שיטות הסימולציה הקלאסיות המובילות אינן מספקות תשובה אמינה.
שלושת המאמרים הועלו ל־arXiv ב־27 וב־28 ביולי וטרם עברו ביקורת עמיתים. לפיכך מדובר בטענות ליתרון קוונטי שעדיין ייבחנו בידי הקהילה ובידי מפתחי אלגוריתמים קלאסיים, ולא בהכרעה סופית שלפיה מחשבים קוונטיים עדיפים באופן כללי על מחשבי־על.
החשיבות התעשייתית של העבודות נובעת מהמעבר ממדידת ביצועים המבוססת בעיקר על מספר הקיוביטים לעיסוק באמינות המערכת השלמה: המעבד הקוונטי, קודי איתור השגיאות, מודל הרעש, תוכנות הפחתת השגיאות ושכבת האימות.
קידמה מדגימה את QESEM על IBM Heron
במחקר שבו השתתפה קידמה הפעילו החוקרים מעגלים של עד 74 קיוביטים על מעבד IBM Heron r3. הניסוי דימה מגנט איזינג קוונטי הנתון לעירור מחזורי ונועד לעקוב אחר דינמיקת המגנטיזציה לאורך זמן.
תוכנת QESEM של קידמה שימשה להפחתת השפעת הרעש ולקבלת מדידות בדיוק של אחוזים בודדים. לפי המאמר, המערכת הקוונטית חשפה תנודות ממושכות שלא נראו באופן עקבי בשתי שיטות סימולציה קלאסיות מתקדמות.
סימולציות המבוססות על רשתות טנזור לא הצליחו להתכנס בתחום הקשה ביותר, ואילו תוצאותיה של שיטת Pauli-path נותרו תלויות ברמת הקיטום, למרות שימוש במעבדים גרפיים מתקדמים ובמחשב־העל פוגאקו של RIKEN.
החוקרים השתמשו בכמה אומדי הפחתת שגיאות בלתי תלויים, בדקו את מודל הרעש וחזרו על חלק מן המדידות במערכות מבוססות יונים לכודים של Quantinuum. ההתאמה בין המדידות חיזקה את הטענה שהמחשב הקוונטי מדד תופעה פיזיקלית ממשית ולא תוצר של רעש החומרה.
מבחינת קידמה, המחקר מדגים את תפקידה האפשרי של שכבת תוכנת הפחתת השגיאות במערכות קוונטיות מהדור הנוכחי. במקום להמתין למחשב בעל תיקון שגיאות מלא, QESEM נועדה להוציא תוצאות שימושיות ממעבדים רועשים באמצעות שילוב של דיכוי שגיאות, הפחתת שגיאות וניתוח סטטיסטי.
IBM ואוניברסיטת שיקגו שילבו אימות בתוך המעגל
במחקר נוסף בנו חוקרי IBM ואוניברסיטת שיקגו מעגל קוונטי בעל 70 קיוביטים לוגיים ובעומק 70, שכלל 468 שערי T. החישוב נפרס על 97 קיוביטים פיזיים וקודד באמצעות spacetime codes, המאפשרים לזהות שגיאות במהלך התפתחות המעגל.
באמצעות סינון הרצות שבהן התגלו תסמיני שגיאה השיגו החוקרים הפחתה של פי עשרה בשיעור השגיאות האפקטיבי. הם הציבו חסם תחתון כמותי לנאמנות התוצאה ברמת ביטחון של 95%, בלי לדרוש ממחשב קלאסי לחשב את הפלט המלא של המעגל.
גישה זו עשויה להיות חשובה למערכות קוונטיות עתידיות משום שהיא הופכת את האימות לחלק מארכיטקטורת החישוב, ולא לבדיקה חיצונית המתבצעת לאחר קבלת התוצאה.
Algorithmiq בודקת את תהליך החישוב
המחקר השלישי, בהובלת Algorithmiq ובשיתוף IBM וגופים נוספים, עסק באמידת operator Loschmidt echo במעגלים של 56 קיוביטים. בתחום שנבדק התקבלו תוצאות שונות מכמה שיטות סימולציה קלאסיות, ולא הייתה תשובת ייחוס מוסכמת.
החוקרים בדקו את עקביות התוצאות על פני כמה מערכות קוונטיות בעלות מאפייני רעש שונים. הם הראו גם כיצד אפשר להפיק אומדנים נטולי הטיה ותחומי שגיאה סטטיסטיים, בתנאי שמודל הרעש של המערכת ידוע במידה מספקת.
שכבת התוכנה הופכת לרכיב מרכזי
שלושת המחקרים מדגישים כי המרוץ הקוונטי אינו מוכרע באמצעות מספר הקיוביטים בלבד. איכות השערים, הקישוריות, קודי איתור השגיאות, תוכנת הפחתת השגיאות, היכולת לאפיין את הרעש והאינטגרציה עם מחשוב עתיר ביצועים נעשים חשובים לא פחות מן המעבד עצמו.
עבור תעשיית השבבים, התוצאות מצביעות על שלב ביניים אפשרי בין המעבדים הקוונטיים הרועשים של היום לבין מחשבים עתידיים בעלי תיקון שגיאות מלא. בשלב זה עשויים מעבדים קוונטיים לשמש מאיצים למשימות מדעיות מסוימות, כאשר סביבם פועלת שכבה נרחבת של עיבוד קלאסי ותוכנה.
השתתפותה של קידמה ממחישה גם את מקומה של התעשייה הישראלית בשכבת התוכנה של שרשרת הערך הקוונטית. החברה אינה מפתחת מעבד קוונטי, אלא טכנולוגיה שמטרתה לשפר את אמינות התוצאות המתקבלות מחומרה קיימת.
״אנחנו נמצאים כעת, באופן מוצק, בעידן היתרון הקוונטי״, אמר ג׳יי גמבטה, מנהל המחקר של IBM. ואולם IBM עצמה מבהירה כי פרסום הטענות אינו סוגר את הדיון: שלושת הניסויים יצטרפו למעקב ולהשוואה מול אלגוריתמים קלאסיים חדשים.
בשלב זה לא הודגמה עדיפות מסחרית כללית במשימות כמו פיתוח שבבים, תכנון תרופות, לוגיסטיקה או פיננסים. ההישג הוא ממוקד יותר: הצגת דרכים שבהן מחשב קוונטי יכול להגיע לתחום קשה לסימולציה קלאסית ועדיין לספק ראיות כמותיות לאמינות התוצאה.
מקורות:
