אנחנו שומעים על מחשבים קוונטיים לפחות כמה שנים. אבל מה זה? בשביל מה מחשב קוונטי? היום הכל על זה במילים פשוטות.
קוונטים מַחשֵׁב היא המצאה שחוקרים רבים תולים לה תקוות גדולות, בציפייה שתהיה לה השפעה חיובית על התפתחות המדע. עם זאת, קשה מאוד להבין כיצד פיזיקת הקוונטים עובדת. יש פיזיקאים אפילו בספק אם יש לקרוא ל"מחשבי הקוונטים" הנוכחיים כך. המכשול הגדול ביותר בשימוש במחשוב קוונטי הוא המספר הגדול של שגיאות המושפעות אפילו מהשינויים הקטנים ביותר בסביבה של מכונות קוונטיות. עד כה, עדיין לא הצלחנו לנצל באופן משביע רצון את הפוטנציאל של סיביות קוונטיות. היום ננסה לגלות מה מיוחד בסיביות הקוונטיות האלה?
האם קיימים מחשבים קוונטיים?
המהות של כל מדען אמיתי היא לא לסמוך ולבדוק כל הזמן. זכרתי בדיוק את המילים האלה כשעוד הייתי סטודנט. ולא פעם הוא דאג לנכונות הביטוי הזה. זה חל גם על "מחשבים קוונטיים". למה ציטטתי את שמם של המחשבים האלה? בוא נגלה.
מחשבים קוונטיים הם נושא מורכב מאוד, אבל אנסה לעשות את זה כמה שיותר פשוט ולדבר עליהם בצורה נגישה. אפילו היום, מדענים, פיזיקאים ומהנדסים יכולים להתווכח בשאלה הפשוטה לכאורה האם קיים מחשב קוונטי עובד איפשהו בעולם. "אבל איך, בכל זאת, חברות כמו IBM מתפארות במחשבים קוונטיים!" - אולי מישהו יאמר. והוא יהיה צודק. נותרה שאלה פתוחה אם יבמ באמת יצרה מחשב קוונטי או פשוט כינתה את המכשיר שלה "מחשב קוונטי".
כשאחד החברים שלי מבקש ממני להסביר במילים פשוטות כיצד מחשבים קוונטיים שונים מהמחשבים שאנו רגילים אליהם, אני בדרך כלל משתמש בהשוואה פשוטה. אם המחשבים הקלאסיים שלנו (כגון PC, מחשבים ניידים זה סמארטפונים) הם נרות, ואז מחשבים קוונטיים הם נורות. המטרה של שניהם זהה - למנורות ליבון ולנרות זה פליטת אור ולמחשבים זה לחישובים. עם זאת, בשני המקרים המטרה מושגת בצורה שונה לחלוטין והתוצאה שונה. במילים פשוטות, מחשב קוונטי הוא לא רק גרסה משופרת של מחשבים מודרניים, בדיוק כמו שנורה היא לא רק נר גדול יותר. אתה לא יכול ליצור נורה על ידי הפיכת נרות טובים יותר ויותר. הנורה שונה טֶכנוֹלוֹגִיָה, המבוסס על הבנה מדעית מעמיקה יותר. כמו כן, מחשב קוונטי הוא סוג חדש של מכשיר המבוסס על פיזיקת קוונטים, ובדיוק כפי שהנורה שינתה את החברה, מחשבים קוונטיים יכולים להשפיע על היבטים רבים של חיינו, כולל צרכי אבטחה, שירותי בריאות ואפילו האינטרנט.
לכן, אם נצמד להשוואה של מחשבים עם נורות, אז ה"קוונטי ג'וזף סוואן" (היוצר של נורת הליבון הפונקציונלית הראשונה) עדיין לא הופיע, ועד כה המדע מנסה, במילים פשוטות, ליצור "משהו אדום וחם" על ידי בדיקה, כמה הוא זוהר. אנחנו מכירים כמה מהיסודות התיאורטיים של איך מחשבים קוונטיים עובדים, אבל יש מכשולים עצומים להתפתחותם שעדיין מחכים להיפתר.
מרכזי מחקר וחברות ברחבי העולם עורכים בדיקות ומחקרים נוספים, ומומחים בתחום הפיזיקה הקוונטית מסכימים שיצירת מכונות קוונטיות מתפקדות במלואן, שנוכל להשתמש בהן כדי להשיג יעדים שאי אפשר להשיג בשלב זה, כמובן תעבור עשרות של שנים.
אני מאמין, ומדענים רבים יסכימו איתי, שהמכונות המכונות כיום מחשבים קוונטיים לא ראויות בכלל לשם כזה. חסרה להם היכולת לבצע חישובים או לפתור בעיות שאיננו יכולים לפתור בצורה רגילה, קלאסית.
עדיין לא הגענו לדרגה כזו של ההתפתחות הטכנולוגית שלנו שנוכל ליצור מכונה קוונטית שתפתור בעיות שכיום אינן נגישות למחשבים קלאסיים. כמובן שגוגל או יבמ מדברות על חישובים כאלה או אחרים שיהיה קשה לעשות בצורה קלאסית, אבל כרגע הם לא משכנעים.
קרא גם: סין גם להוטה לחקור את החלל. אז איך הם מסתדרים?
מה זה קוונטי?
מה זה בכלל "קוונטי"? זה לא אובייקט פיזי. המונח "קוונטי" משמש בפיזיקה כדי לתאר את השבר הקטן ביותר האפשרי של משהו. אז אתה יכול לקבל "קוונטי כוח", "קוונטי זמן" או "קוונטי חלקיקים". בהמשך הדרך הזו נגיע למונחים כמו "פיזיקת קוונטים" ו"מכניקת קוונטים", כלומר ענפי מדע העוסקים באינטראקציות או מערכות הקטנות ביותר האפשריות – ברמת האטומים ואף קווארקים בודדים.
ועכשיו הגענו לקווביט (סיבית קוונטית), כלומר "היחידה הקטנה והבלתי ניתנת לחלוקה של מידע קוונטי". במקביל, הגענו גם לנקודה הראשונה, שמספרת לנו על הדמיון וההבדלים באופן שבו מחשבים קלאסיים (באמצעות ביטים) ומחשבים קוונטיים (באמצעות קיוביטים) מבצעים חישובים.
במחשבים קלאסיים, כל פיסת מידע מאוחסנת כרצף של אחדות ואפסים. מידע כזה נתפס ומתפרש על ידי מחשב, קונסולה, סמארטפון, שעון חכם זה טלויזיה חכמה, בדומה לפעולות שמתבצעות במידע זה. בין אם אנחנו מסתכלים על תמונות חופשה, משוחחים עם חברים, משחקים במשחק האחרון או מבצעים חישובים קריפטוגרפיים מתקדמים, הכל קורה במערכת בינארית שבה יש 0 או 1 ותו לא. למעשה, זה יותר כמו כן או לא קלאסי.
עד כמה המערכת הזו לא יעילה אפשר לראות כשאנחנו מגיעים לגבולותיה. ובין אם נגמר לנו המקום בסמארטפונים שלנו לסלפי נוסף או שמדענים מנסים ליצור מודלים מתמטיים של התפתחות מגיפה, הבעיה היא שיש יותר מדי אפסים ואחדים, והמשאבים לאחסן אותם והכוח לחשב אותם אינם זמינים.
קוביט פותר את הבעיה הזו. פיסת מידע זו משתמשת בתכונות של פיזיקת הקוונטים המאפשרות לה להישאר במה שנקרא סופרפוזיציה. קיוביט יכול לקחת כל ערך בין 0 ל-1. יש לו את המאפיינים של כל הספקטרום ויכול להיות בעל ערכים כמו 15 אחוז אפס ו-85 אחוז אחד. תיאורטית, זה מאפשר לך לשמור הרבה יותר מידע או להאיץ חישובים. אך יחד עם זאת צצות המון בעיות שקשה לשלוט בהן ואף להבין.
תכונה נוספת של מחשבים קוונטיים, המאפשרת קנה מידה נוסף של כוח המחשוב, היא השימוש בהסתבכות קוונטית. זהו מצב שבו שני קיוביטים מחוברים זה לזה, ובכל פעם שנצפה באחד מהם, השני יהיה בדיוק באותו מצב. הסתבכות מאפשרת לקבץ קיוביטים ליחידות יעילות אפילו יותר להקלטה ועיבוד מידע.
קרא גם: מי הם ביוהאקרים ולמה הם מציפים את עצמם מרצונם?
ציוד קוונטי
מחשב קוונטי מורכב משלושה חלקים עיקריים: אזור לאחסון הקיוביטים, שיטה להעברת אותות לקיוביטים ומחשב קלאסי להפעלת תוכנית ושליחת הוראות.
החומר הקוונטי המרכיב את הקיוביטים הוא עדין ורגיש ביותר להשפעות סביבתיות. עבור שיטות אחסון קיוביטים מסוימות, היחידה שמכילה את הקיוביטים נשמרת בטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט כדי למקסם את הקוהרנטיות שלהם. סוגים אחרים של אחסון קיוביטים משתמשים בתא ואקום כדי למזער את הרטט ולייצב את הקיוביטים.
ישנן שיטות שונות להעברת אותות לקיוביטים, כגון גלי מיקרוגל, לייזרים ומתח חשמלי.
על מנת לבסס את פעולתם הרגילה של מחשבים קוונטיים, יש צורך לפתור בעיות רבות. בעיה מרכזית במחשבים קוונטיים היא תיקון שגיאות, ושינוי קנה מידה (הוספת קיוביטים נוספים) מגדיל עוד יותר את התדירות שלהם. בגלל מגבלות אלו, מחשב אישי קוונטי על השולחן שלך הוא עדיין עתיד רחוק, אך מחשבים קוונטיים מסחריים עשויים להיות זמינים בעתיד הקרוב. בואו נדבר על זה ביתר פירוט.
בעיות של מחשבים קוונטיים
עם זאת, למחשבים קוונטיים יש בעיה אחת ענקית. כלומר, למדענים יש בעיה עצומה בשימוש בהם, מכיוון שבזכות התכונות המיוחדות שלהם, קיוביטים זקוקים לסביבה רגועה מספיק כדי להיות מסוגלים לקרוא במדויק כל נתונים מהם. כל הפרה, אפילו הקטנה ביותר, תגרום לכך שלא ניתן לקרוא במדויק את המידע.
במקרה של מחשבים קלאסיים, בעיה דומה מילאה תפקיד חשוב גם בעבר, אך כיום היא כל כך חסרת חשיבות שלעתים קרובות מתעלמים ממנה אפילו במדע האקדמי. אנחנו מדברים על שיעור שגיאות. זהו אינדיקטור שקובע איזה חלק של סיביות או קיוביטים של מידע יכול להיות פגום. זה יכול לקרות, למשל, בזמן של מתח יתר או הפרעות אחרות.
עבור מכשירים קלאסיים, הסתברות השגיאה היא בערך אחת ל 1017 קצת במקרה של מחשבים קוונטיים, זה עדיין אחד מתוך כמה מאות. וזה במצב שבו מחשבים קוונטיים עובדים בתנאים הכי מבודדים ובטמפרטורה של -272 מעלות צלזיוס, כלומר מעט מעל האפס המוחלט. כל תנודות טמפרטורה, שינויים בשדה האלקטרומגנטי ואפילו תנועה הורסים את כל החישוב.
בעיה נוספת היא "חוסר היציבות" של מצבים קוונטיים. בכל פעם שאנו מודדים או רוצים להפריע למצב קוונטי, הוא חוזר לאחד משני מיקומים, אפס ואחד. במקרה זה, המצב הקוונטי יתפרק. תהליך זה נקרא דקוהרנטיות קוונטית.
חשבו על זה כך: מחשב קוונטי הוא מתמטיקאי מיומן שמבצע חישובים מורכבים, ותוצאותיו נעות בין 0 ל-1 מיליון. אנחנו, בתורנו, ילד שמבין רק שמשהו יכול להיות יותר מדי או מעט מדי. בכל פעם שלמתמטיקאי עשויות להיות תוצאות שונות, כגון 356 או 670,23, לפי הבנתנו את העולם, כל אחת מהתוצאות הללו תסווג כמעט (1) או רבות (846), מבלי להגדיר הבדל ספציפי בין השתיים. זוהי דה-קוהרנטיות קוונטית. הדרך היחידה לעשות חישוב נכון היא להבטיח את העבודה במתמטיקה לפני סיום.
קרא גם: מה יעשו התמדה וכושר על מאדים?
לשם מה נשתמש במחשבים קוונטיים?
כיום נשאלת השאלה למה אפשר להשתמש במחשבים קוונטיים, בדיוק כמו לפני 20 שנה, למה אפשר להשתמש בסמארטפון. כמובן, יש כבר כמה תוכניות והנחות, אבל הכיוונים המעניינים ביותר לשימוש בקיוביטים כנראה יתבררו כשמחשבים קוונטיים יתפשטו.
קריפטוגרפיה היא אחד התחומים הפופולריים ביותר שבהם נעשה שימוש לרוב במחשוב קוונטי. העניין הוא שזו תהיה שיטה של העברת מידע בצורה מאוד מאובטחת, והאבטחה לא מבוססת על מורכבות תהליכי המחשוב, אלא על חוקי הפיזיקה, שיתנו ביטחון שדברים מסוימים הם פשוט בלתי אפשריים. וברגע זה אי אפשר יהיה להקשיב, לרגל, לפרוץ.
אבטחה במקרה זה מובטחת על ידי עצם המאפיינים הפיזיים של קיוביטים, שכפי שהסברתי קודם, מפסיקים להראות תכונות סופרפוזיציה ברגע שהם נצפים. אז כל ניסיון ליירט או אפילו להעתיק את ההודעה המקודדת פשוט יהרוס אותה.
מחשבים קוונטיים עשויים גם לאפשר לנו להבין טוב יותר תהליכים טבעיים. ה"כאוס" של סופרפוזיציה משקף הרבה יותר טוב את הדרך, למשל, מוטציות ב-DNA, ולכן את התפתחות המחלות והאבולוציה. מחשוב קוונטי כבר נמצא בשימוש היום ליצירת תרופות חדשות.
אולי הגיוני לדבר על השימוש במחשבים קוונטיים לטלפורטציה של נתונים. כן, דווקא טלפורטציה של נתונים, ואולי אדם. נוכל להעביר מידע ממקום למקום מבלי להעביר אותו פיזית. זה נשמע כמו פנטזיה, אבל זה אפשרי, כי הנזילות הזו של חלקיקים קוונטיים יכולה להסתבך בזמן ובמרחב, כך ששינוי בחלקיק אחד יכול להשפיע על אחר, וזה יוצר ערוץ לטלפורטציה. זה כבר הוכח במעבדות ויכול להיות חלק מהאינטרנט הקוונטי של העתיד. אין לנו עדיין רשת כזו, אבל כמה מדענים כבר עובדים על האפשרויות האלה, המדמות רשת קוונטית במחשב קוונטי. הם כבר פיתחו והטמיעו פרוטוקולים חדשים ומעניינים, כמו טלפורטציה בין משתמשי רשת והעברת נתונים יעילה, ואפילו הצבעה מאובטחת.
עוד צריך לומר שיש להשתמש במחשבים קוונטיים כדי לדמות מצבים שונים ולמצוא פתרונות לבעיות, לרבות תרופות וחיסונים. לדוגמה, במהלך מגיפות כמו נגיף הקורונה, כאשר יש צורך בחישוב מהיר יותר וחישוב אפשרויות. כאן תוכלו להשתמש באפשרות של מידול קוונטי, שלא ניתן לבצע במחשב קלאסי. כאשר מתגלה מחלה חדשה, תהליך מציאת התרופה נמשך כ-15 שנים ויכול לעלות עד 2,6 מיליארד דולר. במחלות מסוימות, יש צורך לסנן דרך מיליוני מולקולות כדי לזהות רק מאות אנשים מבטיחים שעלולים להפוך לתורמים. לאחר מכן, במהלך הבדיקה, כ-99% מהמולקולות נושרות, בין היתר, עקב חיזוי שגוי של התנהגות ומגבלות דגימה. זה המקום שבו מחשבים קוונטיים יבואו לידי ביטוי.
ואלה עדיין רק כמה מהרעיונות הנפלאים של מה ניתן להשיג באמצעות פיזיקת קוונטים. נכון לעכשיו, אנחנו מצליחים במידה מסוימת לאלף את דמותה הקפריזית, אבל כל ההתפתחויות עדיין ברמה הראשונית. יצירתו של מחשב קוונטי אמיתי והיישום ההמוני שלו עדיין רחוקה למדי, אך ההתקדמות אינה עומדת מלכת. לכן, אולי בעוד כעשר שנים תקראו את המאמר הזה בעזרת מחשב קוונטי ותחייכו בהתנשאות.
קרא גם:
Çoch sağ olun, muellimin bize התקני זיכרון מודרניים