הישג משמעותי למעבדות גוגל: הצליחו להוריד את שיעור השגיאות האקראיות לרמה שמאפשרת תיקון יעיל שלהן
תחום המחשבים הקוונטיים, שלמרכיביהם יש תכונות השייכות למכניקת הקוונטים, נחשבים הבטחה גדולה בתחום החישוב. בזכות טבעם הקוונטי, צופים שהם יוכלו לבצע ביעילות משימות מסוימות שמחשבים דיגיטליים רגילים יזדקקו בשבילם לשנים רבות של חישוב. יתרונותיהם אמורים לבוא לידי ביטוי בין השאר בסימולציות של מערכות קוונטיות, למשל לצורך פיתוח של חומרים מתקדמים או מולקולות מורכבות, בפענוח מבנים מתמטיים גדולים המשמשים לפתרון מערכות משוואות מורכבות או לפענוח צפנים, ובתקשורת בטוחה.
הטכנולוגיה החדשה נמצאת עדיין בשלבי פיתוח במעבדות אוניברסיטאיות ובמרכזי מחקר של ענקיות טכנולוגיה כמו גוגל או IBM. נכון לעכשיו המחשבים הקוונטיים הקיימים מוגבלים מאוד, ואת רוב המשימות שהם מסוגלים לבצע קל יותר לפתור במחשבים קלאסיים (רגילים). כעת, המדענים במעבדת המחשוב הקוונטי של גוגל הצליחו לייצר קיוביטים (ביטים קוונטיים) החשופים לרעש ולשגיאות מתחת לרף העליון שאינו מאפשר תיקון עצמי. קיוביטים כאלה עשויים להיות צעד חשוב בפיתוח מחשבים קוונטיים עוצמתיים יותר, שיוכלו לקיים את ההבטחות שנקשרו בשמם.
נחשבים להבטחה גדולה בתחום החישוב. שבבים של מחשב קוונטי | ויקימדיה, Steve Jurvetson from Menlo Park, USA
טיפול בשגיאות
אחת הבעיות המרכזיות שמפתחי המחשבים הקוונטיים נדרשים לפתור היא בעיית השגיאות במחשב. כל מחשב, קלאסי או קוונטי, חשוף להפרעות חיצוניות, המכונות "רעש", שיכולות לשנות מצבים פיזיים במחשב, וכך לשבש גם את החישוב שהוא מבצע. קל למדי להסביר את הבעיה כשמדברים על מחשבים רגילים. במחשבים כאלה כל מספר מיוצג על ידי שרשרת ביטים – היחידות הבסיסיות שמהן מורכב המחשב – שיכולים להיות במצב 0 או 1. כל ביט הוא מעגל חשמלי, שמייצג את הספרה 1 אם זורם בו זרם, ואת 0 אם לא. אבל לפעמים שדה מגנטי אקראי שנוצר במקום אחר במחשב עלול ליצור זרם שישנה את מצבו של ביט מסוים מ-0 ל-1. השינוי הזה ישבש את תוצאת החישוב, והטעות עלולה להתגלגל הלאה ולהפוך משגיאה בביט יחיד לשגיאה משמעותית בפעולת המחשב כולו.
כדי להתמודד עם הבעיה קיימים פרוטוקולים – קבוצות של הוראות שקובעות איך מחשב יפעל – שמשמשים לתיקון שגיאות כאלה. למשל, במקום כל ביט שהמחשב רוצה לייצג אפשר להשתמש בשלושה ביטים זהים, כך שבמקום 0 המחשב ישמור 000 ובמקום 1 יופיע 111. אם ביט אחד ישתנה בטעות, למשל למצב 010, המחשב יזהה שיש שגיאה, יסיק לפי מצבם של רוב הביטים שהמצב הנכון הוא 000, ויהפוך את מצבו של הביט הסורר.
פרוטוקול כזה יעבוד אם תיקון השגיאות, כלומר הבדיקה ועדכון מצב הביטים בעקבותיה, ייעשה בתדירות גבוהה מספיק. היא תצטרך להיות תכופה מספיק כדי לשמור על הסתברות גבוהה לכך שלא יקרה מצב שבו שני ביטים מהשלושה יתהפכו – ואז כשהמחשב יתקן את השגיאה הוא יעשה את זה לכיוון הלא נכון.
יש גם פרוטוקולים הרבה יותר מתוחכמים לתיקון שגיאות, וגם כאלה שהותאמו למחשבים קוונטיים. אבל מה יקרה אם תדירות השגיאות גבוהה מדי, והן יצטברו מהר יותר מיכולתנו לתקן אותן? המחשב ינסה לתקן את כל השגיאות, אבל יישארו שגיאות שהוא לא יספיק לתקן. די בשגיאה אחת קטנה, שנוגעת לביט בודד במחשב, כדי ליצור השפעה מתגלגלת שתתרחב ותלך כשעוד ועוד פעולות ישלבו את הביט השגוי עם ביטים אחרים. בסופו של דבר השגיאה עלולה להשתלט על כל החישוב.
נוכל כמובן לנסות לתקן את השגיאות מהר יותר, אבל לצעד כזה יש מחיר. עלול להיווצר מצב שהיקף המשאבים שיושקעו בתיקון השגיאות לא ישאיר מספיק משאבים לחישוב עצמו. כך המחשב הקוונטי יאבד כל יתרון שעשוי להיו לו על פני מחשב קלאסי. כדי שתהיה סיבה טובה לעבוד עם מחשב קוונטי, נדרש מחשב קוונטי שאין בו יותר מדי טעויות ורעש.
כל מחשב, קלאסי או קוונטי, חשוף להפרעות חיצוניות שיכולות לשנות מצבים פיזיים במחשב, וכך לשבש גם את החישוב שהוא מבצע. אילוסטרציה של זיהוי ביט לא נכון | Shutterstock, Andrea Danti
רעש מדוד
איך מגדירים מה זה "יותר מדי טעויות ורעש"? בשנת 2008 החוקרים דורית אהרונוב ומיכאל בן-אור מהאוניברסיטה העברית הראו שיש סף מסוים לשגיאות במחשב קוונטי, שמתחתיו אפשר לתקן את השגיאות בלי שהן ישתלטו על כל החישוב, והמחשב יפעל כרצוננו. ההגדרה של סף השגיאות היא טכנית מאוד ולא נלאה אתכם בה - העיקר הוא שהסף הזה קיים, מוגדר וידוע.
עכשיו יש לנו כלים להבין את מהות ההישג של מעבדת המחשוב הקוונטי של גוגל: הם הצליחו לראשונה לייצר מחשב קוונטי יציב מספיק, שכמות השגיאות שלו נמצאת מתחת לסף השגיאות הנדרש. המחשב עדיין קטן מאוד וכולל רק כמה עשרות קיוביטים (ביטים קוונטיים), כאמור. לשם השוואה, בזיכרון העבודה של טלפון חכם ממוצע יש כמה מיליארדי ביטים, אבל מספיק מחשב קוונטי קצת יותר גדול מהנוכחי כדי לבצע משימות שאינן ניתנות לביצוע במחשב קלאסי, או לפחות כך מדענים מעריכים כרגע. זהו כנראה אחד ההישגים החשובים ביותר בשנים האחרונות במירוץ לבניית מחשבים קוונטיים שימושיים.
ולבסוף, קוראים שעוקבים בתשומת לב אחרי פיתוח המחשבים הקוונטיים אולי יופתעו מהכתבה הזאת. הרי מחשבים קוונטיים קיימים כבר כמה שנים, ומדענים אף משתמשים בהם לחישובים. איך יכול להיות שרק עכשיו התאפשר לתקן בהם שגיאות? התשובה היא שיש משימות שבהן שגיאות במחשב הקוונטי פחות מפריעות – למשל בסימולציות של חומרים קוונטיים, שבכל מקרה כבר יש בהם רעש, זיהומים וחוסר שלמות. אך כדי לנצל את המחשבים קוונטיים גם למשימות כמו פריצת צפנים צריך תיקון שגיאות יעיל, וכאן ההישג הטכנולוגי כבר משמעותי באמת.
