מסתמן: ענקית מנועי החיפוש נמצאת על סף פריצת דרך בפיתוח מחשוב קוונטי, שמסוגל לבצע משימות אשר מחשבים רגילים אינם מסוגלים להתמודד איתן

מאמר שדלף והוסר כעבור זמן קצר משרתי נאס"א חשף בשבוע שעבר כי ייתכן שענקית החיפוש גוגל תכריז בקרוב כי הצליחה להדגים עליונות קוונטית. החברה, שנמצאת בראש החץ של המחקר בתחום המחשוב הקוונטי, הצהירה בשנים האחרונות שבכוונתה להשיג את היעד בהקדם. אם הדיווח נכון, הרי שמדובר בציון דרך משמעותי בתחום שנמצא עדיין בחיתוליו. עם זאת, עדיין רחוקה הדרך לפיתוח יישומים או טכנולוגיות חדשות בעקבותיו.

"עליונות קוונטית" היא השם שניתן לנקודה בזמן – הרגע שבו מחשב קוונטי ישיג לראשונה יתרון מוחץ על פני מחשב ספרתי (דיגיטלי) רגיל. וביתר פירוט – הוא יצליח, בזכות תכונותיו הייחודיות,  לבצע במהירות משימה חישובית שמחשב ספרתי חזק במיוחד איננו מסוגל לסיים בזמן סביר. המשימה שעליה יתחרו המחשב הקוונטי והרגיל יכולה להיות כל חישוב שהוא, אפילו אם הוא חסר תועלת לחלוטין, ובלבד שהמחשב הקוונטי יבצע אותו בקלות בעוד המחשב הרגיל ייכשל.

טכנולוגיה בחיתוליה

מִחשוב קוונטי הוא תחום מחקר צעיר יחסית. במרכזו עומדת ההבטחה שבעזרת שימוש בתכונות קוונטיות לחלוטין הנוגעות לחלקיקים תת-אטומיים, כמו סופרפוזיציה ושזירה אפשר לבצע חישובים מסוימים ביעילות ובמהירות רבה יותר מאשר במחשבים דיגיטליים רגילים. התכונות האלה מתבטאות בכך שהמחשב הקוונטי אינו מוגבל למצבים של '0' או '1' בלבד, כמקובל בטכנולוגיה הספרתית הקיימת, אלא יש לו גם מצב ביניים שאינו 'כן' או 'לא'.

אם זמן החישוב שנדרש למחשב לבצע פעולה נמדד בכמה שנים, אומרים שהוא אינו מסוגל לבצע אותה מעשית. אם מחשב קוונטי הצליח בה, הרי שהוא השיג עליונות. עם זאת, יש מי שטוענים שיתרון חישובי שכזה לא יתממש לעולם ושמערכות המחשוב הקוונטי נידונו להיכשל. הספקנים מספקים טיעונים מגוונים, החל בהנחות שבבסיס מדעי המחשב וכלה בסלעי מחלוקת הנוגעים למכניקת הקוונטים. לצידם עומדת העובדה כי גם אחרי שנים לא מעטות של מחקר ופיתוח, לא נבנתה עד כה שום מערכת קוונטית שהפגינה יתרון כלשהו על מחשבים ספרתיים רגילים.

על רקע המחלוקת הזו, ברור מדוע יש חשיבות עצומה  להוכחה של עליונות קוונטית. החישוב עצמו אינו לב העניין, והחלק המשמעותי הוא עצם ההמחשה של יתרון ביצועי של מחשב קוונטי על פני מחשב רגיל. צעד כזה יוכל לפתור כמה מסימני השאלה האופפים את עתיד התחום.

הבעיה הגדולה היא שהטכנולוגיה הנוכחית של המחשב הקוונטי עדיין בוסרית ורחוקה מלהצליח לפתור ביעילות את הבעיות שמייעדים עבורה. על כן נדרשו החוקרים בקבוצת המחקר של גוגל למצוא בעיה שתתאים לטכנולוגיה הקוונטית הנוכחית שברשותם, ושתהיה קשה מאוד לפיצוח עבור מחשבי על ספרתיים רגילים.

אתגר סטטיסטי

הבעיה שנבחרה היא בעיית דגימה סטטיסטית, שבה המחשב נדרש לספק רשימה של מספרים שנדגמו באקראי מתוך קבוצת מספרים שמתפלגים בהסתברות כלשהי. כלומר ייתכן שגם כשהבחירה אקראית לחלוטין, עדיין ההסתברות לשלוף מספר מסוים שונה מההסתברות למספר אחר.

במקרה הזה ההתפלגות היא התפלגות של תוצאות ניסוי שבו מערכת קוונטית מתחילה במצב ידוע ועוברת תהליך שגם הוא ידוע. עבור מחשב קוונטי זו בעיה טבעית, מאחר שהיא מתבססת על הנחה יסודית בתורת הקוונטים: המצב של מערכת קוונטית מתאר את ההסתברות לקבל כל אחת מהתוצאות האפשריות כשהמערכת הקוונטית נמדדת. מכאן נובע שכדי לדגום מתוך ההתפלגות הרצויה, מספיק למחשב הקוונטי למדוד את המערכת לאחר שהעביר אותה את התהליך הידוע הזה ולהצמיד לכל מצב אפשרי מספר סידורי.

עבור מחשב קלאסי, הדמיה של תהליכים קוונטים היא בעיה קשה מאוד. למעשה, כשהמערכת הקוונטית חוצה גודל מסוים, אפילו הזיכרון הדרוש כדי לשמור בזיכרון את כל המספרים המתארים את מצב המערכת נהיה גדול מדי.

בניסוי המתואר במאמר שפורסם טרם זמנו השתמשו החוקרים ב-53 קיוביטים (יחידות זיכרון קוונטיות, להבדיל מ"ביטים" במחשבים ספרתיים רגילים) ובתהליך של 20 צעדים. המספרים האלה נשמעים סבירים עד שמבינים שמצב קוונטי של מערכת בת 53 קיוביטים מכיל בעצם את כל המספרים שאפשר לכתוב ב-53 ספרות בינאריות בבת אחת – כלומר 253 מספרים שונים (בערך עשרה מיליון מיליארד מספרים), מספר שמאתגר מאוד את קיבולת הזיכרון של המחשב החזק בעולם.

גם כמות החישובים הדרושה כדי לעבור מצעד אחד לצעד הבא בחישוב כזה היא אסטרונומית, ולכן מקשה מאוד על המחשב להעריך את הסיכויים לקבל תוצאות שונות בסיום התהליך, ובהתאם לכך להגריל מספרים אקראיים. במאמר הציגו החוקרים ראיות כי למחשב העל החזק בעולם (Summit OLCF-4 supercomputer) שאיתו עבדו, יידרש לעבוד עשרת אלפים שנה לפחות כדי להכין ליצור רשימה של מיליון מספרים אקראיים כאלה. לעומת זאת, המחשב הקוונטי יצר רשימה שכזו בתוך מאתיים שניות בלבד, שמתוכן הוא עבד באמת רק כחצי דקה.

הפתרון לחידה אינו הישג טכנולוגי כשלעצמו, שכן היכולת לדגום מספרים אקראיים מתוך התפלגות מסוימת אינה סיבה גדולה למסיבה. החשיבות הגדולה כאן היא פיזור העשן סביב כמה מהתהיות הגדולות לגבי מחשוב קוונטי וגבולות היכולת של מכניקת הקוונטים לתיאור המציאות. ההדגמה נותנת זריקת עידוד לתחום, ומעלה את מפלס האופטימיות באשר לסיכוי שנצליח עם הזמן לבנות מערכות שיאפשרו לנו לפתור בעיות קשות באמת, במגוון תחומים.