תיקון שגיאות קוונטי מעבר לסף הקריטי

"אחד האתגרים המרכזיים במחשוב קוונטי הוא התמודדות עם שגיאות הנובעות מאינטראקציה בין הקיוביטים לסביבה החיצונית. בשבב ווילו הצליחה גוגל להפחית את שיעור השגיאות באופן אקספוננציאלי תוך הגדלת מספר הקיוביטים הפעילים במערכת." כך אומר ד"ר הארטמוט נווין, מייסד ומוביל Google Quantum AI בבלוג באתר החברה.

"באמצעות מערכים הולכים וגדלים של קיוביטים, החל ממערך של 3×3, דרך 5×5 ועד 7×7, הציגה המערכת ירידה משמעותית בשיעור השגיאות, עד לכדי מחצית בכל שלב. הישג זה, המכונה "מתחת לסף הקריטי", מהווה אבן דרך היסטורית בתחום תיקון השגיאות, ומוכיח כי ניתן להמשיך ולהקטין את שיעור השגיאות גם עם הגדלת כמות הקיוביטים. "תוצאה זו היא עדות לכך שמחשבים קוונטיים שימושיים ובקנה מידה רחב אכן אפשריים, ומקרבת אותנו ליישום אלגוריתמים פרקטיים בעלי ערך מסחרי.

חישוב של 10 ספטיליון שנים בפחות מחמש דקות

שבב ווילו הציג ביצועים חסרי תקדים במדד Random Circuit Sampling (RCS), הנחשב לאתגר הקשה ביותר לביצוע כיום על מחשב קוונטי. השבב הצליח להשלים חישוב תוך פחות מחמש דקות, חישוב שלמחשב-על המתקדם ביותר כיום יידרשו 10 ספטיליון שנים (1025 שנים) לביצועו.

נתון זה, החורג בהרבה מגילו של היקום, ממחיש את הפוטנציאל האדיר של מחשבים קוונטיים ומחזק את התפיסה הפיזיקלית לפיה חישובים קוונטיים מתבצעים במקביל במציאויות מרובות, בהתאם לתיאוריית היקומים המרובים.

עיצוב וייצור חדשני במתקן מתקדם

ווילו פותח ויוצר במתקן ייצור חדשני בסנטה ברברה, המתמחה בייצור שבבים קוונטיים. תהליך הייצור מתמקד בביצועים מערכתיים, תוך שימת דגש על אינטגרציה מיטבית של כל רכיבי השבב, לרבות שערים קוונטיים, איפוס קיוביטים וקריאת נתונים.

השבב כולל 105 קיוביטים מתקדמים בעלי ביצועים יוצאי דופן, עם שיפורים משמעותיים במדדי איכות כמו זמן T1, המודד את יכולת הקיוביטים לשמור על מצבם הקוונטי. נתוני T1 של ווילו עומדים על כ-100 מיקרו-שניות – שיפור של פי חמישה בהשוואה לדור הקודם של שבבים קוונטיים.

הפוסט ווילו: השבב הקוונטי בגודל 105 קיוביטים של Google Quantum AI הופיע לראשונה ב-Chiportal.

כבר קרוב ל-50 שנה שמחשבים הפכו להיות חלק מהותי מחיינו אך כעת עומדת להכנס לחיינו טכנולוגית מיחשוב חדשה אשר עשוי לשנות את העולם ביכולות ובביצועים שלא היו קיימים עד כה. מחשוב קוונטי הוא דור חדש של טכנולוגיה המשתמש בחומרת מחשבים ואלגוריתמים המנצלים את מכניקת הקוונטים כדי לפתור בעיות מורכבות שמחשבים קלאסיים אינם יכולים לפתור או שאינם יכולים לפתור מספיק מהר.

מחשבי הקוונטום של חברת יבמ מבוססים על חומרה קוונטית אמיתית ההופכת את הטכנולוגיה הקוונטית לזמינה למאות אלפי מפתחים. מאמר זה עוסק בטכנולוגיה הטרנספורמטיבית הזו וביתרונותיה לעולם עיבוד הנתונים.

מדוע אנחנו צריכים מחשבים קוונטיים?

כאשר מדענים ומהנדסים נתקלים בבעיות קשות, הם פונים למחשבי-על. מדובר במחשבים קלאסיים גדולים מאוד הכוללים לרוב אלפי ליבות מעבד ומעבדים גרפיים קלאסים( GPUs) המסוגלים להריץ חישובים גדולים מאוד ונעזרים גם בבינה מלאכותית מתקדמת. עם זאת, אפילו מחשבי-על הם מכונות מבוססות קוד בינארי הנשענות על טכנולוגיית הטרנזיסטורים של המאה העשרים. כאשר מדובר בעיבודים בדרגה גבוהה של מורכבות גם מחשבי העל נאבקים כדי להתמודד עם אותן בעיות חישוביות.

בעיות חישוביות מורכבות הן בעיות עם הרבה משתנים המקיימים אינטראקציה בדרכים מסובכות. למשל מודל התנהגות של אטומים בודדים במולקולה היא בעיה מורכבת, בגלל כל האלקטרונים השונים באינטראקציה זה עם זה. זיהוי דפוסים עדינים של הונאה בעסקאות פיננסיות אף הוא מורכב מאד. כלומר יש בעיות שאפילו המחשבים הקלאסים החזקים ביותר של ימנו אינם יודעים לפתור.

מדוע מחשבים קוונטיים מהירים יותר?

בואו נסתכל על דוגמה הממחישה כיצד מחשבים קוונטיים יכולים להצליח במקום שבו מחשבים קלאסיים נכשלים?

מחשב קלאסי עשוי להיות מצוין במשימות קשות כמו מיון מסד נתונים גדול של מולקולות. אבל הוא נאבק לפתור בעיות מורכבות יותר, כמו הדמיה של איך המולקולות האלה מתנהגות.

כיום, אם מדענים רוצים לדעת איך מולקולה תתנהג הם חייבים לסנתז אותה ולהתנסות איתה בעולם האמיתי. אם הם רוצים לדעת כיצד תיקון קל ישפיע על ההתנהגות שלה, הם צריכים לסנתז את הגרסה החדשה ולהפעיל את הניסוי שלהם מחדש. זהו תהליך יקר הגוזל זמן רב ומונע התקדמות בתחומים מגוונים כמו רפואה או תכנון שבבים מתקדמים המורכבים ממילארדי טרנזיסטורים המייצגים לפעמים מאות מליוני קישורים בינהם.אך לאף מחשב על קלאסי אין את זיכרון העבודה הדרוש כדי לטפל בכל התמורות האפשריות של התנהגות מולקולרית.

אלגוריתמים קוונטיים נוקטים בגישה חדשה לסוגים של בעיות מורכבות כאלה עי" יצירת מרחבי חישוב רבי-ממדיים המסוגלים לבצע הדמיה מולקולרית בכל הצורות האפשריות.

איך מחשבים קוונטיים עובדים?

מעבד IBM Quantum הוא שבב לא גדול בהרבה מזה הנמצא במחשבים ניידים. ומערכת חומרה קוונטית היא בערך בגודל של מכונית, המורכבת ברובה ממערכות קירור כדי לשמור על המעבד המוליך בטמפרטורת הפעולה הקרה במיוחד שלו.

מעבד קלאסי משתמש בביטים קלאסיים לביצוע פעולותיו. מחשב קוונטי משתמש בקיוביטים (CUE-bits) כדי להפעיל אלגוריתמים קוונטיים רב-ממדיים.

סביר להניח שלמחשב השולחני שלכם מספיק מאוורר רגיל כדי לקרר אותו ולאפשר לו לעבוד כראוי. המעבדים הקוונטיים צריכים להיות קרים מאוד – למען הדיוק כמאית המעלה מעל האפס המוחלט – כדי למנוע "דה-קוהרנטיות", או לשמור על המצבים הקוונטיים שלהם. כדי להשיג זאת, יש צורך להשתמש בנוזלי-על מקוררים במיוחד. בטמפרטורות נמוכות אלו חומרים מסוימים מציגים השפעה מכאנית קוונטית חשובה: אלקטרונים נעים דרכם ללא התנגדות. זה הופך אותם ל"מוליכים". כאשר אלקטרונים עוברים דרך מוליכים הם מתאימים זה לזה ויוצרים "זוגות קופר". זוגות אלה יכולים לשאת מטען על פני מחסומים, או מבודדים, באמצעות תהליך המכונה מינהור קוונטי. שני מוליכים הממוקמים משני צידיו של מבודד יוצרים צומת ג'וזפסון.

כיצד ניתן להפוך מחשבים קוונטיים לשימושיים?

נכון לעכשיו, מחשב הקוונטום של יבמ מוביל את העולם בחומרה ותוכנה למחשוב קוונטי. מפת הדרכים של יבמ כוללת תוכנית ברורה ומפורטת להרחבת מעבדים קוונטיים, במטרה להתגבר על בעיית קנה המידה ולבנות את החומרה הדרושה לנטרול רעשים ומחשוב קוונטי יעיל.

נושא הרעשים הוא קריטי במיוחד במחשוב קוונטי מכיוון שאפילו רעש סביבתי קל כמו רעידות, תנודות טמפרטורה או הפרעות אלקטרומגנטיות עלולות להכניס שגיאות בקיוביטים אשר ישבשו את  החישובים ויובילו לתוצאות לא מדויקות. ככל שלמערכת יש יותר קיוביטים, כך היא הופכת להיות רגישה יותר לרעש. לכן חלק גדול מהעבודה בתחום המחשוב הקוונטי מוקדשת כעת למניעת השפעת הרעשים במחשבים קוונטיים וליצוב התוצאות המתקבלות בהם.

הפוסט מהו מחשוב קוונטי? הופיע לראשונה ב-Chiportal.

אם תבדקו מי מוביל את פיתוח המיחשוב הקוונטי תתפלאו לגלות כי דווקא חברת יבמ שנראה כי נשארה קצת מאחור בעידן בו חברות הטכנולוגיה הנחשבות הן גוגל, אמזון ואפל היא זו שהחליטה להתמקד בתחום המיחשוב הקוונטי כבר לפני כמה וכמה שנים וכיום היא נחשבת לאחת מחברות המיחשוב הקוונטי המובילות בעולם. ואם יש מישהו שיודע מה בדיוק עושה יבמ בתחום הלא הוא ד"ר סקוט קראודר, CTO וסגן נשיא לתחום המיחשוב הקוונטי ביבמ.

מיד עם סיום לימודי הדוקטורט שלו באוניברסיטת סטנפורד בשנת 1995 הצטרף ד"ר קראודר למרכז המחקר והפיתוח של יבמ לתחום השבבים. בשנת 2003 התמנה לתפקיד מנהל פיתוח טכנולוגיות תהליכי 90 ננומטר ו45 ננומטר עבור יבמ וחברות שבבים מובילות אחרות בינהן סמסונג, אינפיניאון וצ'רטרד. בתפקידו הבא שימש ד"ר קראודר כסגן נשיא לפיתוח אסטרטגיה טכנית ועסקית חוצה חברות ליוזמות צמיחה תוך התמקדות בתחומים כגון Big Data & Analytics, ניהול נתונים בדור הבא, מחשוב קוגניטיבי, תשתיות מחשוב ענן ושירותי ענן.

כיום משמש ד"ר קראודר כמנהל הטכני הראשי (CTO) וסגן נשיא, לתחום מיחשוב קוונטי במטה יבמ בניו יורק. האחריות שלו כוללת הובלת המאמץ למסחור מחשבים קוונטיים, הובלת מהפך חשיבה תכנוני והאצת חדשנות בפיתוח באמצעות פרויקטים מיוחדים. כשנשאל לאחרונה מה המטרה המרכזית של יבמ בתחום המיחשוב הקוונטי ענה: המטרה העיקרית של תוכנית IBM Quantum היא להפוך את המיחשוב הקוונטי לזמין באופן נרחב כדי לעודד חדשנות ושימוש אבל יש לנו עוד הרבה עבודה לעשות לפני שנגשים את מטרתנו ליצור חומרת מיחשוב קוונטית, תוכנה ואלגוריתמים שיכולים לפתור בעיות בעולם האמיתי ושאינן ניתנות לביצוע בעזרת שיטות החישוב הקלאסי".

ד"ר סקוט קראודר יהיה אורח כנס ChipEx2021 וירצה בכנס (שיערך ב21 ביוני) על השפעת המיחשוב הקוונטי על הדור הבא של העולם הדיגיטלי. אל תחמיצו.

הפוסט עתיד המיחשוב הקוונטי והאורח המפתיע שמשתתף ב- ChipEx2021 הופיע לראשונה ב-Chiportal.