חברת קוונטום מאשינס הודיעה כי הצליחה להפעיל את מעבד ה־Novera של Rigetti Computing באמצעות פלטפורמת השליטה OPX1000 ותוכנת הכיול האוטומטי QUAlibrate, ולהגיע לרמת דיוק חציונית של 99.5% בשערים דו־קיוביטיים. בנוסף, החברה דיווחה על דיוק חציוני של 99.93% בשערים חד־קיוביטיים בכל תשעת הקיוביטים של המעבד.

הניסוי בוצע באתר של Rigetti, כאשר צוות של קוונטום מאשינס הפעיל וכייל את המעבד באמצעות מערך שליטה חיצוני מלא. לפי החברה, מדובר בביצועים הגבוהים ביותר שהושגו עד כה למערכת Novera מלאה בשיתוף עם ספק חיצוני של מערכות שליטה.

מעבר לנתון הטכני עצמו, ההכרזה חשובה משום שהיא מדגימה כי מעבדים קוונטיים מסחריים יכולים לפעול ברמת ביצועים גבוהה גם מחוץ לסביבת השליטה המקורית של היצרן. זהו צעד בכיוון של תעשייה פתוחה ומודולרית יותר, שבה מעבד קוונטי, מערכת שליטה, תוכנות כיול ותשתיות מחשוב קלאסיות יכולים להגיע מחברות שונות ולהשתלב למערכת אחת.

השליטה בקיוביטים הופכת לשכבת תשתית

קוונטום מאשינס אינה מפתחת את הקיוביטים עצמם, אלא את שכבת השליטה, התזמור והכיול של מחשבים קוונטיים. מערכת OPX1000 שלה אחראית על הפעלת הקיוביטים בזמן אמת באמצעות פולסים מדויקים, סנכרון בין רכיבי המערכת, ביצוע מדידות, הפעלת לולאות משוב ואופטימיזציה של הביצועים.

לצד החומרה, החברה מפעילה את QUAlibrate, תוכנה לאוטומציה של תהליכי כיול במחשבים קוונטיים. כיול הוא אחד מצווארי הבקבוק המרכזיים בתחום: כל קיוביט דורש כיוון של פרמטרים רבים, והפרמטרים האלה משתנים עם הזמן ומשפיעים זה על זה. ככל שמספר הקיוביטים גדל, כיול ידני נעשה איטי ומורכב יותר, ולכן אוטומציה של תהליכי הכיול הופכת לרכיב תשתיתי חיוני.

בניסוי הנוכחי, העבודה כללה כיול אוטומטי, כיוון מקבילי של רכיבי המערכת, אופטימיזציה של השליטה בזמן אמת ומעקב אחר ביצועי המערכת כולה. התוצאה הייתה ביצועים יציבים בכל 11 החיבורים הזמינים בין זוגות קיוביטים במעבד Novera.

Rigetti מספקת את המעבד, קוונטום מאשינס את שכבת ההפעלה

Rigetti Computing היא אחת החברות הבולטות בתחום המחשוב הקוונטי מבוסס מוליכי־על. מעבד Novera הוא מעבד קוונטי מסחרי בן 9 קיוביטים, המיועד לפריסה מקומית במעבדות מחקר ופיתוח. לפי Rigetti, Novera מבוסס על ארכיטקטורת Ankaa של החברה, הכוללת סידור ריבועי של קיוביטים ומצמדים ניתנים לכיוון.

השילוב בין Novera לבין מערכת השליטה של קוונטום מאשינס אינו רק הדגמה נקודתית. הוא משתלב במגמה שבה לקוחות בתחום הקוונטום, ובהם מעבדות לאומיות, מוסדות מחקר וחברות טכנולוגיה, מבקשים גישה פתוחה וגמישה יותר למערכות קוונטיות. במקום לקבל “קופסה סגורה” מספק יחיד, הם יכולים לשלב מעבד של יצרן אחד עם מערכות שליטה, תוכנות וכלי כיול של ספקים אחרים.

אנדרו בסטוויק, סגן נשיא בכיר למערכות קוונטיות ב־Rigetti, אמר כי התוצאות מדגימות את הבשלות הגוברת של האקוסיסטם הקוונטי הרחב, ואת האפשרות להגיע לביצועים גבוהים באמצעות ערימות שליטה ותוכנה חיצוניות.

המשמעות: מחשבים קוונטיים גדולים ידרשו אקוסיסטם פתוח

המחשוב הקוונטי עדיין רחוק מהיקפים מסחריים רחבים, אך התעשייה כבר מתמודדת עם בעיית סקלביליות ברורה: ככל שמספר הקיוביטים גדל, עולה גם המורכבות של השליטה, הכיול והתחזוקה של המערכת. לכן, לא מספיק לשפר את איכות הקיוביטים עצמם. יש צורך בתשתיות שיאפשרו להפעיל מערכות גדולות, לשמור על רמת שגיאות נמוכה ולחזור על התהליך בסביבות שונות.

לדברי איתמר סיון, מנכ"ל קוונטום מאשינס, ככל שהמערכות גדלות, כיול ותזמור הופכים לאתגרי תשתית בסיסיים. לדבריו, עתיד המחשוב הקוונטי לא תלוי רק בקיוביטים טובים יותר, אלא גם ביכולת להפעיל מערכות מורכבות בסביבות שונות ובאמינות גבוהה.

ההישג הנוכחי אינו הופך את Novera למחשב קוונטי מסחרי כללי, ואינו משנה לבדו את מצב התחום. אך הוא מדגים רכיב חשוב בדרך לשם: היכולת לחבר בין מעבד קוונטי מסחרי לבין מערכת שליטה חיצונית, ולשמור על ביצועים ברמה שמוגדרת כיעד על ידי יצרנית המעבד.

עבור קוונטום מאשינס, זו גם הוכחה למיצוב שלה כספקית תשתית במחשוב קוונטי. במקום להתחרות ישירות ביצרניות הקיוביטים, החברה מבקשת להפוך לשכבת ההפעלה של מערכות קוונטיות מסוגים שונים – ממוליכי־על ועד פלטפורמות אחרות – ולספק את הבקרה, הכיול והאורקסטרציה שיידרשו למערכות גדולות יותר.

Novera מוגדר על ידי Rigetti כמעבד QPU מסחרי בן 9 קיוביטים המיועד לפריסה מקומית, ומבוסס על ארכיטקטורת Ankaa עם קיוביטים בסריג ריבועי ומצמדים ניתנים לכיוון. (Rigetti Computing) ההקשר הרחב יותר הוא ש־Quantum Machines ו־Rigetti כבר הדגימו בעבר כיול אוטומטי של Novera במסגרת אתגר AI for Quantum Calibration, שבו הודגש כי כיול הפך לצוואר בקבוק מרכזי בסקיילינג של מערכות קוונטיות. (Quantum Machines)

הפוסט קוונטום מאשינס הפעילה מעבד של Rigetti ברמת דיוק של 99.5% בשערים דו־קיוביטיים הופיע לראשונה ב-Chiportal.

IBM (NYSE: IBM), המובילה בתחום המיחשוב הקוונטי מבוסס מוליכים למחצה ו-Pasqal, מפתחת מחשבי  קוונטיים מבוססי אטומים נייטרליים, הודיעו על כוונתן לשתף פעולה לפיתוח גישה משותפת למחשבי-על ממוקדי קוונטים וקידום מחקר יישומי בכימיה ומדע החומרים. IBM ו-Pasqal יעבדו עם מוסדות מובילים בתחום מחשוב עתיר ביצועים כדי להקים את היסודות למחשבי-על ממוקדי קוונטים – שילוב של מחשוב קוונטי עם מחשוב קלאסי מתקדם ליצירת הדור הבא של מחשבי-על.

IBM ו-Pasqal שואפות לעבוד יחד כדי להגדיר את ארכיטקטורת השילוב התוכנתית למחשב-על ממוקד קוונטים שיתזמר תהליכי חישוב בין מספר מודלים של מחשבים קוונטיים ואשכולות מחשוב קלאסי מתקדמים. שתי החברות חולקות חזון לגישה משותפת לשילוב המבוסס על תוכנה בקוד פתוח והשתתפות הקהילה הטכנית. IBM ו-Pasqal מתכננות לממן במשותף פורום טכני אזורי למחשוב עתיר ביצועים בגרמניה, עם תוכניות להרחיב מאמץ זה לאזורים נוספים.

היבט מרכזי בפעילות שיתוף הפעולה הוא המטרה המשותפת של IBM ו-Pasqal לעודד אימוץ רחב היקף בתעשייה במדע החומרים והכימיה; תחום שבו מחשוב-על ממוקד קוונטים מציג פוטנציאל מיידי. IBM ו-Pasqal שואפות לקדם באופן משמעותי את השימוש במחשוב קוונטי ליישומים בכימיה ומדע החומרים, על ידי ניצול התפקידים המובילים שלהן בתחום מחשוב קוונטי מלא ושלם, ועבודה עם קבוצת העבודה למדע החומרים שהוקמה בשנה שעברה על ידי IBM. הקבוצה תמשיך לחקור את השיטות הטובות ביותר לבניית תהליכים חישוביים רחבי היקף בכימיה על ידי שילוב של מחשוב קוונטי וקלאסי.

"מחשוב-על ממוקד קוונטים הוא העתיד של מחשוב עתיר ביצועים והוא הדרך להשיג יתרון קוונטי בטווח הקצר בכימיה, מדע החומרים ויישומים מדעיים אחרים. שיתוף הפעולה הזה עם Pasqal יבטיח שהעתיד הזה יהיה פתוח ואגנוסטי למודל החומרה, וייצור יותר ערך ללקוחותינו ומשתמשינו. אני מצפה לכך ש-Pasqal תצטרף אלינו בהבאת מחשוב-על ממוקד קוונטים לעולם," אמר ג'יי גמבטה, עמית IBM וסגן נשיא, IBM Quantum.

"היום הוא אבן דרך משמעותית בתעשיית מחשוב הקוונטים כשאנו מתחילים בשיתוף פעולה זה עם IBM. אנו מצפים לשלב כוחות למטרה שאפתנית במיוחד: להתחיל להקים את השיטות העסקיות הטובות ביותר למחשוב-על ממוקד קוונטים. על ידי ניצול היתרונות של שתי הטכנולוגיות, אנו מוכנים לעמוד בקצב המואץ של צרכי לקוחותינו ולעמוד בדרישותיהם הגוברות," אמר ז'ורז'-אוליבייה ריימונד, מנכ"ל Pasqal.

הפוסט IBM ו-Pasqal יוזמות שיתוף פעולה עבור מחשבי-על ממוקדי קוונטים הופיע לראשונה ב-Chiportal.

אוקטובר 1955: "ויצק", המחשב הראשון בישראל ואחד הראשונים בעולם, נחנך במכון ויצמן למדע. 67 שנים אחרי, נרשם במכון ויצמן פרק חדש בתולדות המחשוב בישראל: במעבדתו של פרופ' רועי עוזרי פותח מחשב קוונטי אוניברסלי – אחד מכ-30 מחשבים קוונטיים בעולם ופחות מ-10 בטכנולוגיה של מלכודות יונים. בימים אלה שוקדים החוקרים על הפרויקט הבא: מחשב קוונטי גדול יותר שאפשר יהיה להדגים באמצעותו "יתרון קוונטי" – היכולת לבצע חישובים שמחשבים רגילים, חזקים ככל שיהיו, אינם יכולים לבצע. יכולות אלה הן הגביע הקדוש של התחום כולו, שכן הן צפויות לאפשר בעתיד שלל יישומים – מפיצוח צפנים וחיזוי פיננסי, דרך קפיצת מדרגה בבינה מלאכותית ועד פיתוח תרופות וחומרים חדשים. כמחווה ל"ויצק" ייקרא הדור הבא של המחשב הקוונטי WeizQC.

הקדמה האנושית במאה השנים האחרונות נסמכה על מחשבים. עם זאת, מכונות החישוב שלנו, ממש כמונו, כבולות לחוקי הפיסיקה הקלאסית. מגבלה זו מהווה תקרת זכוכית שאינה מאפשרת קפיצת מדרגה חישובית שתקדם את האנושות בחזיתות רבות. מכונות חישוב קוונטיות, לעומת זאת, מצייתות לחוקים אחרים לגמרי – החוקים של תורת הקוונטים השולטים בעולמם של החלקיקים המיקרוסקופיים. אם בעולם שאנחנו מכירים, אדם, חפץ או ביט של מחשב יכולים להימצא בהכרח במצב אחד, או במקום אחד, ביטים קוונטיים, הקרויים בחיבה קיוביטים, יכולים להימצא ביותר ממצב אחד בו-בזמן. עובדה פיסיקלית שומטת לסתות זו פותחת את הדלת בפני כוח חישובי אדיר – גדול לאין ערוך מהמחשב החזק ביותר בעולמנו.

ככה נראה מחשב קוונטי: מלכודת היונים הוטמנה בתא ואקום והוכנסה למיכל מתכת גדול המגן על היונים מפני רעשים מגנטיים. תצלום: פרדי פיזנטי

"מחשוב קוונטי זו הבטחה טכנולוגית-מדעית שעד לפני כמה שנים הייתה מוגבלת למעבדות מחקר אוניברסיטאיות", מספר פרופ' עוזרי שהיה אחד החלוצים בתחום בישראל כאשר חזר לפני 15 שנה ממחקר בתר-דוקטוריאלי בארה"ב בהנחיית חתן פרס נובל לפיסיקה דייוויד וינלנד. "בערך לפני שבע או שמונה שנים ההבטחה פרצה את גבולות האקדמיה והחל מרוץ מהיר לבניית מחשב קוונטי כשבחזית ניצבות ענקיות כמו גוגל, אמזון ויבמ. במקביל, מעצמות כמו סין, ארה"ב והאיחוד האירופי השיקו אף הן תוכניות אסטרטגיות עתירות תקציב לקידום התחום".

למרות תקציבי הענק וההתגייסות של הגופים החזקים בעולם, גם כיום הדרך למחשב קוונטי בעל יכולות משמעותיות עדיין רצופה חתחתים. אחד המכשולים הבולטים בתחום הוא הרגישות הגדולה של המחשבים הקוונטיים לרעשים סביבתיים, והקושי הנגזר מכך בבניית מערכות מחשוב גדולות ומורכבות. במאמר המתפרסם היום בכתב-העת המדעי PRX Quantum מציגים החוקרים, בהובלת ד"ר תום מנוביץ' ותלמיד המחקר יותם שפירא, שני חידושים אשר מתמודדים עם אתגרים אלה ויושמו בהצלחה בבניית המחשב הקוונטי שבמעבדתם.

זהירות, מלכודת

בניגוד למחשבים המוכרים לנו הבנויים כולם באותה הטכנולוגיה, במחשוב קוונטי מתנהלת כיום תחרות על הבכורה בין טכנולוגיות שונות. אחת הטוענות הבולטות לכתר היא הטכנולוגיה של מלכודות יונים, שבה כל יון – כלומר אטום בעל מטען חשמלי – מהווה קיוביט בודד. בדומה לביטים שיכולים לעבור בין מצב אחד למשנהו (0 או 1), גם קיוביטים מבוססי יונים יכולים לעבור בין מצבים שונים המיוצגים באמצעות המסלול סביב הגרעין של האלקטרון בקליפה החיצונית של היון. בעוד במחשב רגיל המעבר הוא באמצעות זרם חשמלי, במלכודות יונים הבזקי לייזר הם אלו המעבירים את הקיוביטים בין מצביהם השונים. פעולות אלה על הקיוביטים מכונות שערים לוגיים. כדי לבצע חישובים מורכבים יש לבצע פעולות על יותר מקיוביט אחד, אך הדבר מועד לפורענות ועלול לגרום לאיבוד האופי הקוונטי של המערכת. לשם כך פיתחו החוקרים דפוס שימוש בהבזקי לייזר המאפשר ליצור שערים לוגיים קוונטיים שהינם עמידים יותר בפני רעשים סביבתיים. "השימוש בשערים עמידים מאפשר לנו להביא את המחשב שפיתחנו למעטפת ביצועים דומה לזו שאפשר למצוא כיום בעולם המסחרי", אומר פרופ' עוזרי.

ואולם גם כאשר השערים הלוגיים עמידים יותר, הרגישות הגבוהה של המערכת תוביל בסופו של דבר להצטברות שגיאות ולאיבוד מהיר של היתרון הקוונטי. לפיכך, נדבך חשוב בפיתוח מחשבים קוונטיים הוא היכולת הלא טריוויאלית לבצע תיקון שגיאות. כדי לתקן שגיאה צריך קודם כל לזהות אותה, כלומר למדוד את הקיוביטים, אך מדידה היא פעולה אגרסיבית שתוביל בהכרח לאיבוד האופי הקוונטי. הפתרון לכך הוא למדוד חלק מהקיוביטים, אך לא את כולם. במערכות מבוססות יונים, מדידת הקיוביטים נעשית באמצעות מערכות אופטיות: מאירים את היונים באמצעות לייזר, ולפי פיזור האור (או היעדרו) יודעים להבדיל בין המצבים השונים של הקיוביטים. במחשב שפותח במכון, במקום גלאי האור המקובלים אשר מודדים כל יון בנפרד ומאפשרים עיבוד מהיר של מידע, השתמשו המדענים במערך מבוסס מצלמה המאפשר לקרוא את כל הקיוביטים במקביל. כדי לשמור על האופי הקוונטי של המערכת, הסתירו החוקרים מהמצלמה חלק מהקיוביטים והתגברו על עיבוד הנתונים האיטי באמצעות פיתוח מערכת מהירה של מעגלים אלקטרוניים המאפשרת לקרוא את נתוני המצלמה, לעבד את המידע ולקבל החלטות בהתאם לתוצאות המדידה.

המחשב הקוונטי שבנו במעבדתו של פרופ' עוזרי כולל כיום חמישה קיוביטים – בדומה למחשבים שהושקו בשירותי המחשב הקוונטי בענן של יבמ. הדור הבא של המחשב שנבנה בימים אלה מתוכנן לכלול 64 קיוביטים והוא צפוי לאפשר הדגמה של יתרון קוונטי – יתרון שהודגם עד כה בשני מחשבים בלבד: במעבדות גוגל ובסין.

"בישראל של שנות ה-50, כשהיו פה גמלים וביצות, בנו כאן את אחד המחשבים הראשונים בעולם. כיום ישראל היא אימפריה טכנולוגית ואין שום סיבה שלא נתייצב בחזית המרוץ למחשב הקוונטי"
על-אף המעמד שצברה ישראל בעשורים האחרונים כמובילה טכנולוגית, גם כיום סבורים רבים שכדי להיות שחקנית במרוץ הבינלאומי למחשב הקוונטי, נדרשות יכולות של מעצמה כלכלית – יכולות שאינן מתאימות לכאורה למידותיה של ישראל. פרופ' עוזרי מתקומם על תפיסה זו: "בישראל של שנות ה-50, כשהיו פה גמלים וביצות, בנו כאן את אחד המחשבים הראשונים בעולם. כיום ישראל היא אימפריה טכנולוגית ואין שום סיבה שלא נתייצב בחזית המרוץ למחשב הקוונטי".

בבניית המחשב הקוונטי השתתפו ד"ר תום מנוביץ', יותם שפירא, ליאור גזית, ד"ר ניצן אקרמן וחוקרים ותלמידי מחקר נוספים ממעבדתו של פרופ' רועי עוזרי במחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון. את הפן התיאורטי של הפרויקט הוביל פרופ' עדי שטרן מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון.

הפוסט במכון ויצמן החל לפעול המחשב הקוונטי הישראלי הראשון הופיע לראשונה ב-Chiportal.