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:

• הפרסום המלא של IBM
• המאמר בהשתתפות קידמה
• המאמר של IBM ואוניברסיטת שיקגו
• המאמר בהובלת Algorithmiq

הפוסט IBM וקידמה מציגות תוצאות קוונטיות מעבר ליכולת הסימולציה הקלאסית הופיע לראשונה ב-Chiportal.

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.

הפיזיקאים של אוניברסיטת בן-גוריון בנגב הם הראשונים שניסו להבין את תכונות הכאוס באמצעות שבב קוונטי. הם גייסו חלקיקי אור כדי לדמות כאוס והצליחו לחזות מתאמים המעידים עליו. מסקנותיהם פורסמו בכתב העת המדעי Nature Partner Journal, Quantum Information.

פרופ' איתן גרוספלד ועמיתו ד"ר דניאל דהן מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בן גוריון בנגב, יחד עם ד"ר גבע ארואס, בוגר המחלקה, בתר-דוקטורט בפריז, הדגימו שמערכות הלוכדות אור בחלל תהודה מיקרומטרי על טבעת, יכולות לחשוף התנהגות בלתי צפויה, כאשר אור עם תכונה סיבובית (אור כיראלי) מוזרק לתוך החללים הללו.

הפוטונים, חלקיקי האור, מתנהגים על פי חוקי מכניקת הקוונטים. החוקרים עקבו אחר המסלולים של מספר פוטונים בתוך המיקרו-חללים וגילו שהתנהגותם הופכת כל כך בלתי צפויה ואף עלולה להראות לגמרי אקראית, בשל רגישות גבוהה לשינויים קטנים בתנאים ההתחלתיים. עם זאת, הם חזו שמתאמים מסוימים בין פליטת פוטונים במיקרו-חללים השונים יצביעו על ההתנהגות הכאוטית. הפיזיקאים מאוניברסיטת בן-גוריון הם הראשונים שהציעו את חלקיקי האור, הפולריטונים, כמי שיכולים לדמות כאוס. גילוי זה נעשה במסגרת תוכנית הדגל של האיחוד האירופי שמטרתה להפוך את המחקר הקוונטי לטכנולוגיות קוונטיות.

"למיטב ידיעתנו, אנו הראשונים להציע סימולטורים קוונטיים במצב מוצק המבוססים על חלקיקי אור כמי שיכולים לדמות סוגים מסוימים של כאוס בהם קשה מאוד לקבוע את הכללים", הסביר פרופ' גרוספלד. "חלקיקים אלו מורכבים מפוטונים ואקסיטונים של מצב מוצק. שבב המצב המוצק קושר את הפוטונים ומייצר מהם תגובה בה אנו משתמשים בסימולציות שלנו".

שותפים נוספים לקבוצת המחקר: אוניברסיטת אוקספורד, אוניברסיטאי קולג' בלונדון, אוניברסיטת שפילד בבריטניה CNRS-C2N בפריז, המכון לפיזיקה בוורשה ומכון פול דרוד בברלין.

מחקר זה (מס' 1626/16 *) נתמך על-ידי הקרן הלאומית למדע ובהמשך נתמך על ידי רשות החדשנות במסגרת תכנית קמין- בפרויקט QuantERA InterPol  ובסיוע BGN Technologies – חברת מסחור הטכנולוגיות של אוניברסיטת בן-גוריון בנגב.

הפוסט שופכים אור על הכאוס הופיע לראשונה ב-Chiportal.