מדעני מכון ויצמן למדע מציגים מחשב קוונטי ישראלי ראשון

אוקטובר 1955: "ויצק", המחשב הראשון בישראל ואחד הראשונים בעולם, נחנך במכון ויצמן למדע. 67 שנים אחרי, נרשם במכון ויצמן פרק חדש בתולדות המחשוב בישראל: במעבדתו של פרופ' רועי עוזרי פותח מחשב קוונטי אוניברסלי – אחד מכ-30 מחשבים קוונטיים בעולם ופחות מ-10 בטכנולוגיה של מלכודות יונים.

בימים אלה שוקדים החוקרים על הפרויקט הבא: מחשב קוונטי גדול יותר שאפשר יהיה להדגים באמצעותו "יתרון קוונטי" – היכולת לבצע חישובים שמחשבים רגילים, חזקים ככל שיהיו, אינם יכולים לבצע. יכולות אלה הן הגביע הקדוש של התחום כולו, שכן הן צפויות לאפשר בעתיד שלל יישומים – מפיצוח צפנים וחיזוי פיננסי, דרך קפיצת מדרגה בבינה מלאכותית ועד פיתוח תרופות וחומרים חדשים. כמחווה ל"ויצק" ייקרא הדור הבא של המחשב הקוונטי WeizQC.

הקדמה האנושית במאה השנים האחרונות נסמכה על מחשבים. עם זאת, מכונות החישוב שלנו, ממש כמונו, כבולות לחוקי הפיסיקה הקלאסית. מגבלה זו מהווה תקרת זכוכית שאינה מאפשרת קפיצת מדרגה חישובית שתקדם את האנושות בחזיתות רבות. מכונות חישוב קוונטיות, לעומת זאת, מצייתות לחוקים אחרים לגמרי – החוקים של תורת הקוונטים השולטים בעולמם של החלקיקים המיקרוסקופיים.

אם בעולם שאנחנו מכירים, אדם, חפץ או ביט של מחשב יכולים להימצא בהכרח במצב אחד, או במקום אחד, ביטים קוונטיים, הקרויים בחיבה קיוביטים, יכולים להימצא ביותר ממצב אחד בו-בזמן. עובדה פיסיקלית שומטת לסתות זו פותחת את הדלת בפני כוח חישובי אדיר – גדול לאין ערוך מהמחשב החזק ביותר בעולמנו.

"מחשוב קוונטי זו הבטחה טכנולוגית-מדעית שעד לפני כמה שנים הייתה מוגבלת למעבדות מחקר אוניברסיטאיות", מספר פרופ' עוזרי שהיה אחד החלוצים בתחום בישראל כאשר חזר לפני 15 שנה ממחקר בתר-דוקטוריאלי בארה"ב בהנחיית חתן פרס נובל לפיסיקה דייוויד וינלנד. "בערך לפני שבע או שמונה שנים ההבטחה פרצה את גבולות האקדמיה והחל מרוץ מהיר לבניית מחשב קוונטי כשבחזית ניצבות ענקיות כמו גוגל, אמזון ויבמ. במקביל, מעצמות כמו סין, ארה"ב והאיחוד האירופי השיקו אף הן תוכניות אסטרטגיות עתירות תקציב לקידום התחום".

למרות תקציבי הענק וההתגייסות של הגופים החזקים בעולם, גם כיום הדרך למחשב קוונטי בעל יכולות משמעותיות עדיין רצופה חתחתים. אחד המכשולים הבולטים בתחום הוא הרגישות הגדולה של המחשבים הקוונטיים לרעשים סביבתיים, והקושי הנגזר מכך בבניית מערכות מחשוב גדולות ומורכבות. במאמר המתפרסם היום בכתב-העת המדעי PRX Quantum מציגים החוקרים, בהובלת ד"ר תום מנוביץ' ותלמיד המחקר יותם שפירא, שני חידושים אשר מתמודדים עם אתגרים אלה ויושמו בהצלחה בבניית המחשב הקוונטי שבמעבדתם.

זהירות, מלכודת
בניגוד למחשבים המוכרים לנו הבנויים כולם באותה הטכנולוגיה, במחשוב קוונטי מתנהלת כיום תחרות על הבכורה בין טכנולוגיות שונות. אחת הטוענות הבולטות לכתר היא הטכנולוגיה של מלכודות יונים, שבה כל יון – כלומר אטום בעל מטען חשמלי – מהווה קיוביט בודד. בדומה לביטים שיכולים לעבור בין מצב אחד למשנהו (0 או 1), גם קיוביטים מבוססי יונים יכולים לעבור בין מצבים שונים המיוצגים באמצעות המסלול סביב הגרעין של האלקטרון בקליפה החיצונית של היון. בעוד במחשב רגיל המעבר הוא באמצעות זרם חשמלי, במלכודות יונים הבזקי לייזר הם אלו המעבירים את הקיוביטים בין מצביהם השונים.

פעולות אלה על הקיוביטים מכונות שערים לוגיים. כדי לבצע חישובים מורכבים יש לבצע פעולות על יותר מקיוביט אחד, אך הדבר מועד לפורענות ועלול לגרום לאיבוד האופי הקוונטי של המערכת. לשם כך פיתחו החוקרים דפוס שימוש בהבזקי לייזר המאפשר ליצור שערים לוגיים קוונטיים שהינם עמידים יותר בפני רעשים סביבתיים. "השימוש בשערים עמידים מאפשר לנו להביא את המחשב שפיתחנו למעטפת ביצועים דומה לזו שאפשר למצוא כיום בעולם המסחרי", אומר פרופ' עוזרי.

ואולם גם כאשר השערים הלוגיים עמידים יותר, הרגישות הגבוהה של המערכת תוביל בסופו של דבר להצטברות שגיאות ולאיבוד מהיר של היתרון הקוונטי. לפיכך, נדבך חשוב בפיתוח מחשבים קוונטיים הוא היכולת הלא טריוויאלית לבצע תיקון שגיאות. כדי לתקן שגיאה צריך קודם כל לזהות אותה, כלומר למדוד את הקיוביטים, אך מדידה היא פעולה אגרסיבית שתוביל בהכרח לאיבוד האופי הקוונטי. הפתרון לכך הוא למדוד חלק מהקיוביטים, אך לא את כולם. במערכות מבוססות יונים, מדידת הקיוביטים נעשית באמצעות מערכות אופטיות: מאירים את היונים באמצעות לייזר, ולפי פיזור האור (או היעדרו) יודעים להבדיל בין המצבים השונים של הקיוביטים.

במחשב שפותח במכון, במקום גלאי האור המקובלים אשר מודדים כל יון בנפרד ומאפשרים עיבוד מהיר של מידע, השתמשו המדענים במערך מבוסס מצלמה המאפשר לקרוא את כל הקיוביטים במקביל. כדי לשמור על האופי הקוונטי של המערכת, הסתירו החוקרים מהמצלמה חלק מהקיוביטים והתגברו על עיבוד הנתונים האיטי באמצעות פיתוח מערכת מהירה של מעגלים אלקטרוניים המאפשרת לקרוא את נתוני המצלמה, לעבד את המידע ולקבל החלטות בהתאם לתוצאות המדידה.

המחשב הקוונטי שבנו במעבדתו של פרופ' עוזרי כולל כיום חמישה קיוביטים – בדומה למחשבים שהושקו בשירותי המחשב הקוונטי בענן של יבמ. הדור הבא של המחשב שנבנה בימים אלה מתוכנן לכלול 64 קיוביטים והוא צפוי לאפשר הדגמה של יתרון קוונטי – יתרון שהודגם עד כה בשני מחשבים בלבד: במעבדות גוגל ובסין.

על-אף המעמד שצברה ישראל בעשורים האחרונים כמובילה טכנולוגית, גם כיום סבורים רבים שכדי להיות שחקנית במרוץ הבינלאומי למחשב הקוונטי, נדרשות יכולות של מעצמה כלכלית – יכולות שאינן מתאימות לכאורה למידותיה של ישראל. פרופ' עוזרי מתקומם על תפיסה זו: "בישראל של שנות ה-50, כשהיו פה גמלים וביצות, בנו כאן את אחד המחשבים הראשונים בעולם. כיום ישראל היא אימפריה טכנולוגית ואין שום סיבה שלא נתייצב בחזית המרוץ למחשב הקוונטי".

בבניית המחשב הקוונטי השתתפו ד"ר תום מנוביץ', יותם שפירא, ליאור גזית, ד"ר ניצן אקרמן וחוקרים ותלמידי מחקר נוספים ממעבדתו של פרופ' רועי עוזרי במחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון. את הפן התיאורטי של הפרויקט הוביל פרופ' עדי שטרן מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון.