מחשב קוונטי: החזית החדשה של עיבוד הנתונים

אריה עמית | יועץ אסטרטגי, חבר נשיאות הלשכה

מקור | McKinsey & Company

---

מחשב קוונטי הוא בין הטכנולוגיות המתקדמות והמבטיחות ביותר של זמננו, המסוגל לפתור בעיות שיהיו בלתי אפשריות עבור מחשבים קלאסיים בטווח זמן מקובל. היכולת שלהם לנצל את התכונות הקוונטיות של החומר כדי לבצע חישובים בצורה אקספוננציאלית מהר יותר מייצגת פריצת דרך מהפכנית בתחומים רבים, מכימיה ועד קריפטוגרפיה, מאופטימיזציה ועד הדמיה של מערכות מורכבות. אבל מהם בעצם מחשבים קוונטיים ואיך הם עובדים? במאמר זה אנו בוחנים שאלות אלו ואחרות, תוך הסתכלות על אתגרי העתיד והטמפרטורות הקיצוניות הנדרשות להפעלתן.

מהו מחשב קוונטי וכיצד הוא עובד

המחשב הקוונטי הוא סוג חדש של מחשבים המשתמשים במכניקת הקוונטים כדי לבצע פעולות ולפתור בעיות. בניגוד למחשבים קלאסיים, שמשתמשים בסיביות מידע שיכולות לקבל רק אחד משני ערכים אפשריים (0 ו-1), מחשבים קוונטיים משתמשים בqubits , כלומר בסיביות קוונטיות , שיכולות לקבל מספר ערכים בו -זמנית .

המשמעות היא שבעוד ביט קלאסי יכול להיות רק 0 או 1, קיוביט יכול להיות 0 ו-1 בו-זמנית, בתופעה המכונה סופרפוזיציה קוונטית.

סופרפוזיציה קוונטית היא רק אחת התופעות המוזרות והמנוגדות לאינטואיציה של מכניקת הקוונטים שמחשבי קוונטים מנצלים לביצוע פעולות במהירות וביעילות רבה.

לדוגמה, מחשבים קוונטיים יכולים לבצע פעולות במקביל על מספר רב של קיוביטים, הודות למה שנקרא הסתבכות קוונטית , המאפשרת לתאם את הערכים של שניים או יותר קיוביטים בצורה מיוחדת.

המשמעות היא שמחשב קוונטי יכול לעבד בו זמנית מספר אינסופי של פתרונות אפשריים לבעיה, תוך חיסכון בזמן ומשאבים בהשוואה למחשבים קלאסיים.

הבדלים בין מחשבים קלאסיים למחשבים קוונטיים

ההבדלים בין מחשבים קוונטיים למחשבים קלאסיים הם עמוקים ויסודיים. ראשית, כפי שראינו בסעיף הקודם, מחשבים קוונטיים משתמשים בקיוביטים במקום בביטים קלאסיים.

קיוביטים אלו יכולים להיות במצב סופרפוזיציה, כלומר הם יכולים לייצג מספר ערכים בו-זמנית, מה שאומר שמחשבים קוונטיים יכולים לבצע פעולות בו-זמנית על מספר רב של פתרונות אפשריים לבעיה.

יתר על כן, הם משתמשים באלגוריתמים קוונטיים במקום באלגוריתמים קלאסיים . אלגוריתמים קוונטיים תוכננו במיוחד כדי לנצל את התכונות הקוונטיות של קיוביטים, כגון סופרפוזיציה והסתבכות, כדי לפתור בעיות בצורה יעילה יותר מאלגוריתמים קלאסיים.

אופי הטעות

הבדל חשוב נוסף בין מחשבים קוונטיים למחשבים קלאסיים הוא אופי השגיאה.

במחשבים קלאסיים, שגיאות נגרמות על ידי גורמים חיצוניים כגון ירידה בביצועי חומרה או בעיות בהעברת נתונים . במחשבים קוונטיים, שגיאות נגרמות על ידי דה-קוהרנטיות קוונטית, כלומר אובדן הקוהרנטיות הקוונטית של הקיוביטים.

תופעה זו נגרמת מהאינטראקציה של הקיוביטים עם סביבתם ומהווה את אחד האתגרים המרכזיים לפיתוח מחשבים קוונטיים יציבים ואמינים.

לבסוף, המחשבים הקוונטים הנוכחיים עדיין מוגבלים מאוד בהשוואה למחשבים קלאסיים מבחינת זיכרון ויכולת עיבוד. נכון לעכשיו, למחשבים הקוונטים המתקדמים ביותר יש רק כמה עשרות קיוביטים, בעוד שבקלאסיים יכולים להיות מיליארדי סיביות זיכרון.

עם זאת, קיוביטים הם אקספוננציאליים, כלומר מספר המצבים הקוונטיים האפשריים גדל באופן אקספוננציאלי עם מספר הקיוביטים שבהם נעשה שימוש. זה מאפשר למחשבים קוונטיים לפתור בעיות שאחרת היו בלתי אפשריות או קשות ביותר עבור מחשבים קלאסיים, מה שפותח הזדמנויות חדשות לעיבוד נתונים.

התנאים הדרושים לפעולה

מחשבי קוונטים הם בין המכשירים הטכנולוגיים המתקדמים ביותר שנוצרו על ידי האדם, אך הם דורשים טמפרטורות נמוכות במיוחד כדי לתפקד כראוי.

זהו אלמנט נוסף שמבדיל אותם ממחשבי קוונטים קלאסיים, שיכולים לפעול בטמפרטורת החדר , בעוד שיש לשמור עליהם כמה מעלות מעל האפס המוחלט – כלומר במצב של מוליכות על – כדי להבטיח את יציבות הקיוביטים ואת הדיוק שלהם . פעולות.

זה הופך את הבנייה והשימוש במחשבים קוונטיים לאתגר טכנולוגי, אך מומחים בתחום מתקדמים משמעותית ביצירת מכשירים מתקדמים יותר ויותר המסוגלים לפעול בטמפרטורות הקיצוניות הנדרשות.

יישומים מעשיים

למחשבים קוונטיים יש פוטנציאל לחולל מהפכה בעיבוד נתונים בתחומים רבים, מקריפטוגרפיה ועד הדמיה של מערכות מורכבות. להלן כמה מהיישומים המבטיחים ביותר:

• הצפנה קוונטית: הצפנה קוונטית משתמשת במאפיינים קוונטיים כדי להגן על תקשורת מהאזנת סתר. מחשבי קוונטים יכולים ליצור מפתחות הצפנה מאובטחים ביעילות רבה יותר מאשר אלה הקלאסיים והם מסוגלים לשבור כמה מטכניקות ההצפנה הנפוצות כיום.

• אופטימיזציה: הם יכולים לפתור בעיות אופטימיזציה בצורה יעילה הרבה יותר ממחשבים קלאסיים. זה הופך אותם למתאימים לפתרון בעיות מורכבות כמו תכנון מסלול לכלי רכב או חלוקה מיטבית של משאבים.

• סימולציה קוונטית: הדמיית מערכות קוונטיות היא בעיה מורכבת מאוד עבור מחשבים קלאסיים. מחשבים קוונטיים, לעומת זאת, מסוגלים לדמות את הדינמיקה של מערכות קוונטיות כמו מולקולות או חומרים, ופותחים הזדמנויות חדשות לגילוי חומרים ותרופות חדשות.

• למידת מכונה קוונטית: למידת מכונה היא אחד מתחומי היישומים המבטיחים ביותר עבור מחשבים קוונטיים. מחשבים קוונטיים יכולים לנצל סופרפוזיציה קוונטית כדי לבצע פעולות למידה בו-זמנית על פתרונות אפשריים רבים, מה שהופך את האימון של מודלים למידת מכונה ליעילה יותר.

• פיננסים: מחשבים קוונטיים יכולים לשמש לניתוח כמויות גדולות של נתונים פיננסיים וחיזוי מחירי שוק בצורה יעילה יותר ממחשבים קלאסיים.

אתגרים עתידיים למחשבים קוונטיים

למרות ההתקדמות שהושגה עד כה במימוש מחשבים קוונטיים, עדיין יש אתגרים רבים שיש להתמודד איתם לפני שניתן יהיה להשתמש בהם באופן נרחב. להלן כמה מהאתגרים החשובים ביותר:

• יציבות והפחתת שגיאות: מחשבים קוונטיים מועדים לשגיאות עקב גורמים כמו רעש סביבתי ואי יציבות קיוביט. כדי להפוך מחשבים קוונטיים לשימושיים עבור יישומים אמיתיים, יש לפתח טכניקות חדשות כדי להפחית שגיאות ולשפר את היציבות.

• מדרגיות: נכון לעכשיו, המחשבים הקוונטים המתקדמים ביותר מכילים רק כמה עשרות קיוביטים, בעוד שכדי לפתור בעיות מורכבות באמת, יש צורך בהרבה יותר קיוביטים. לפיכך, הפיתוח של טכניקות להגדלת מספר הקיוביטים ולשיפור המדרגיות של מחשבים קוונטיים חיוני אפוא לקידום טכנולוגיה זו.

• בקרה וניהול: ניהול קיוביטים מורכב ודורש טכניקות מיוחדות. יתר על כן, שליטה וקריאה של קיוביטים דורשים ציוד וטכניקות מעבדה מתוחכמים ביותר. כדי להפוך מחשבים קוונטיים לשימושיים ביישומים אמיתיים, יש לפתח טכניקות חדשות כדי לפשט את השליטה והניהול של קיוביטים.

• אלגוריתמים: לא כל הבעיות מתאימות לפתרון על ידי מחשבים קוונטיים. יש צורך בפיתוח אלגוריתמים חדשים שתוכננו במיוחד כדי לנצל את המאפיינים הייחודיים של מחשבים קוונטיים ולפתור בעיות מורכבות.

• סטנדרטיזציה: מחשבים קוונטיים מיוצרים על ידי חברות שונות ומשתמשים בטכניקות ופרוטוקולים שונים. יש צורך בפיתוח סטנדרטים משותפים כדי להבטיח יכולת פעולה הדדית בין המערכות השונות ולהקל על המשתמשים להשתמש במכונות אלו.

מהפכה טכנולוגית עדיין בפיתוח

לסיכום, מחשבים קוונטיים מייצגים חזית חדשה של טכנולוגיה שמבטיחה לחולל מהפכה בדרך שבה אנו פותרים בעיות מורכבות. היכולת שלהם לרתום את הטבע הקוונטי של החומר לביצוע חישובים מהירים יותר באופן אקספוננציאלי ממחשבים קלאסיים פותחת הזדמנויות חדשות בתחומים רבים, ממחשוב ועד כימיה, מפיננסים ועד אבטחת סייבר.

עם זאת, כפי שראינו, יש עדיין אתגרים רבים להתמודדות לפני שניתן יהיה להשתמש במחשבים קוונטיים באופן נרחב. מחקר מתמשך בנושא הפחתת שגיאות, מדרגיות, בקרת וניהול קיוביטים, אלגוריתמים מתאימים וסטנדרטיזציה חיוני לעתיד הטכנולוגיה הזו, כמו גם החשיבות של מציאת פתרון כך שניתן יהיה להשתמש במחשבים קוונטיים גם בטמפרטורת החדר.

למרות האתגרים שבפתח, החוקרים אופטימיים לגבי הפוטנציאל של מחשבים קוונטיים ומחויבים למצוא פתרונות חדשניים כדי להתגבר על הקשיים שהם עדיין מתמודדים איתם. עם הגדלת המשאבים וההשקעה בתחום, אפשר לצפות שמחשבים קוונטיים יהפכו יותר ויותר חזקים ושימושיים עם הזמן.