האם מחשוב קוונטי מעצב את העתיד? היסטוריה, אתגרים, סיכונים ויתרונות

לפני זמן לא רב, המגבלות של המחשבים הקלאסיים דחפו מדענים לפתח סוג חדש של מחשוב - מחשוב קוונטי. מחשבים קוונטיים משתמשים בקיוביטים במקום ביטים קלאסיים ויכולים לבצע חישובים מסוימים הרבה יותר מהר ממחשבים קלאסיים. יתרון זה יכול לשנות תחומים רבים ולשפר את חיינו. במאמר זה, נספק סקירה כללית של מחשוב קוונטי, כולל תעשיות ותחומים שניתן לחולל מהפכה על ידי מחשוב קוונטי. נדון גם באתגרים ובסיכונים הקשורים לטכנולוגיה זו, כמו גם מה צופן לה העתיד.

פנים של מערכת מחשוב IBM Quantum. (קרדיט: IBM )

מהו מחשוב קוונטי?

המחשוב עשה כברת דרך מאז פותחה תורת הקוונטים בשנות העשרים והמחשב הניתן לתכנות הראשון, אינטגרטור ומחשב מספרי אלקטרוני ( ENIAC ), נבנה בשנת 1945. המכונה הייתה הראשונה "האוטומטית, למטרות כלליות, האלקטרוניות, מחשב עשרוני, דיגיטלי", לפי ספרו של אדווין ד. ריילי "אבני דרך במדעי המחשב וטכנולוגיית המידע". מהו בעצם מחשוב קוונטי? בקצרה, מדובר בטכנולוגיה המתהווה במהירות הרותמת את חוקי מכניקת הקוונטים כדי לפתור בעיות מורכבות בצורה יעילה וחזקה יותר ממחשבים קלאסיים. עבור כמה בעיות, מחשבי-על הם לא כל כך סופר. בבסיסו, מחשוב קוונטי מסתמך על שימוש בסיביות קוונטיות (קיוביטים) לעיבוד ולתפעל מידע. בניגוד לביטים קלאסיים, שיכולים להתקיים רק באחד משני מצבים (0 או 1), קיוביטים יכולים להתקיים במספר מצבים בו זמנית בשל תופעת הסופרפוזיציה. זה מאפשר למחשבים קוונטיים לבצע חישובים רבים בו זמנית. עקרון מפתח נוסף של מחשוב קוונטי הוא הסתבכות , המאפשרת לקיוביטים להיות מתואמים בצורה כזו שמצבו של קיוביט אחד יכול להשפיע באופן מיידי על מצבו של אחר, גם אם הם מופרדים פיזית. זה מאפשר למחשבים קוונטיים לבצע מטלות מסוימות הרבה יותר מהר ממחשבי-על - הפקת מספרים גדולים, חיפוש בבסיסי נתונים גדולים וכו'.

איך מחשבים קוונטיים עובדים?

כפי שצוין זה עתה, מחשבים קוונטיים משתמשים בקיוביטים במקום ביטים כדי להפעיל אלגוריתמים קוונטיים רב-ממדיים. קוויביטים נוצרים באמצעות מוליכים, שמפגינים השפעות מכניות קוונטיות כמו זוגות קופר שיכולים לשאת מטען דרך מבודדים באמצעות מנהור קוונטי. ניתן לשלוט ולתמרן את התנהגות הקיוביטים על ידי ירי פוטונים ממיקרוגל לעברם. ניתן להציב קוויביטים במצב של סופרפוזיציה, המייצגים שילוב של כל התצורות האפשריות של הקיוביט. קבוצות של קיוביטים בסופרפוזיציה יכולות ליצור מרחבים חישוביים מורכבים שיכולים לייצג בעיות מורכבות בדרכים חדשות. מחשבי קוונטים קטנים יותר ודורשים פחות אנרגיה ממחשבי-על אך צריכים להיות קרים מאוד, דבר המושג באמצעות נוזלי-על מקוררים במיוחד.

תקריב סכמטי של הקיוביט המוליך-על של יבמ, כולל תצוגה מוגדלת של צומת ג'וזפסון שלה

המצב הנוכחי של מחשוב קוונטי

מחשוב קוונטי הוא תחום מתפתח במהירות שעומד לחולל מהפכה בדרך של פתרון בעיות מורכבות. כמה חברות, כולל IBM, גוגל וריגטי, כבר בנו מחשבים קוונטיים ומשתמשות בהם. מחשבים אלו נעים בגודל ממספר קיוביטים ועד למעלה מ-100 קיוביטים, ולכל אחד יש ארכיטקטורה ומערכת יכולות ייחודיות משלו.

• בשנת 2017, ריגטי הכריזה על זמינות הביטא הציבורית של Forest 1.0, סביבת התכנות המלאה הראשונה בעולם עבור מחשוב קוונטי.
• השקמה של גוגל הוא מעבד קוונטי בעל 53 קיוביטים. הוא פותח ב-2019 ונטען כי ישלים משימה ב-200 שניות שתדרוש מחשב-על מתקדם 10,000 שנים כדי לסיים.
• IBM Quantum System One מחשב קוונטי הוצג על ידי IBM גם ב-2019. הוא מכיל מעבד טרנסמון קוונטי של 20 קיוביטים שנמצא במערכת מחשוב בגודל 2.7x2.7x2.7 מטר. באופן מעניין למדי, IBM הכריזה על מעבד 'Osprey' החדש של 433 קיוביטים ב-IBM Quantum Summit 2022.

"המעבד החדש של 433 qubit 'Osprey' מקרב אותנו צעד נוסף לנקודה שבה ישמשו מחשבים קוונטיים להתמודדות עם בעיות שלא ניתנו לפתרון בעבר", - ד"ר דריו גיל, סגן נשיא בכיר, IBM ומנהל המחקר. בנוסף לפיתוחי החומרה, מתקדמים גם כלי תוכנה למחשוב קוונטי. שפות תכנות כמו Q# ו-Qiskit מאפשרות למפתחים לכתוב תוכניות קוונטיות ולהריץ אותן על חומרה קוונטית או סימולטורים. עם זאת, מחשוב קוונטי עדיין מתמודד עם כמה אתגרים ומגבלות. העיקרי שבהם הוא תיקון שגיאות . בזמן שתוכנית קוונטית פועלת, שגיאות מצטברות במהירות, מה שמציב אתגרים בפני מדענים. לכן, פיתוח שיטות אפקטיביות לתיקון שגיאות הוא חיוני לבניית מחשבים קוונטיים אמינים בקנה מידה גדול. מגבלה משמעותית נוספת היא מדרגיות . בעוד שמחשבים קוונטיים עם עשרות או מאות קיוביטים כבר קיימים, בניית מחשב קוונטי בקנה מידה גדול עם אלפי או מיליוני קיוביטים היא עדיין אתגר. עם זאת, קיימת אופטימיות שהאתגרים הללו יתגברו בשנים הקרובות, ויסללו את הדרך לאימוץ רחב יותר של מחשוב קוונטי. מערכות IBM Quantum מבטיחות להתרחב לכיוון של 4,000+ קיוביטים עד 2025 ואילך.

כיצד מחשוב קוונטי משנה את העולם? יישומים מהחיים האמיתיים

זה רק נאמר, יש כבר כמה מקרי שימוש בתעשיות שונות שבהן מחשוב קוונטי מציג תוצאות מדהימות.

בריאות

אחד התחומים המבטיחים ביותר הוא שירותי בריאות. מחשבים קוונטיים יכולים לדמות התנהגות של מולקולות וחומרים בצורה מדויקת יותר מאשר מחשבים קלאסיים, מה שעלול להאיץ את גילוי תרופות וטיפולים חדשים למחלות. לדוגמה, אלגוריתמים קוונטיים כגון Variational Quantum Eigensolver (VQE) יכולים לשמש כדי לחשב את המבנה האלקטרוני של מולקולות בצורה מדויקת יותר מאשר שיטות קלאסיות. בנוסף, ניתן להשתמש במחשוב קוונטי כדי לנתח מערכי נתונים גדולים מתוך רשומות רפואיות וניסויים קליניים כדי לזהות יעדים חדשים לגילוי תרופות. דוגמה נוספת לאופן שבו ניתן להשתמש במחשוב קוונטי בתחום הבריאות היא באמצעות סינון וירטואלי של מועמדים לתרופות. זה כרוך בחיפוש במאגרי מידע גדולים של תרופות פוטנציאליות כדי לזהות את אלו עם התכונות הרצויות. מחשוב קוונטי מסוגל להאיץ תהליך זה על ידי חיפוש יעיל בכמויות אדירות של נתונים, מה שמוביל לגילוי ופיתוח מהיר יותר של תרופות.

לְמַמֵן

יישום חשוב נוסף של מחשוב קוונטי עשוי להיות טמון באופטימיזציה של בעיות, כגון אלו שנתקלים בתחום הפיננסי. ניתן להשתמש במחשוב קוונטי כדי לשפר מודלים פיננסיים וניהול סיכונים. לדוגמה, ניתן להשתמש באלגוריתמים קוונטיים כדי לנתח במהירות מערכי נתונים גדולים ולבצע תחזיות לגבי מגמות בשוק. בנוסף, ניתן להשתמש בהצפנה קוונטית כדי לאבטח עסקאות פיננסיות ולהגן מפני איום סייבר. הפצת מפתחות קוונטיים (QKD) היא טכניקה המשתמשת בעקרונות מכניקת הקוונטים כדי להעביר בצורה מאובטחת מפתחות הצפנה בין שני צדדים. QKD רותמת את הכוח של קיוביטים מסובכים כדי ליצור מפתח שאי אפשר ליירט מבלי להתגלות.

לוֹגִיסטִיקָה

מחשוב קוונטי יכול לשמש לאופטימיזציה של ניהול שרשרת האספקה, הפחתת עלויות הובלה ושיפור זמני האספקה. לדוגמה, ניתן להשתמש באלגוריתמים קוונטיים כדי לנתח במהירות את הנתיבים היעילים ביותר לתחבורה והפצה. בנוסף, ניתן להשתמש במחשוב קוונטי כדי לפתור בעיות תזמון מורכבות, כמו אלו שנתקלו בתזמון של חברות תעופה ורכבת.

אֵנֶרְגִיָה

ניתן להשתמש באלגוריתמים קוונטיים כדי לדמות את ההתנהגות של חומרים המשמשים בהתקני אחסון אנרגיה, מה שמוביל לפיתוח של סוללות יעילות יותר. מלבד זאת, ניתן להשתמש במחשוב קוונטי כדי לייעל את ייצור האנרגיה על ידי ניתוח דפוסי מזג האוויר וחיזוי הביקוש לאנרגיה.

ייצור

מכיוון שמחשוב קוונטי מסוגל לנתח מערכי נתונים גדולים ולחזות לוחות זמנים ייצור אופטימליים, הוא יכול להועיל מאוד גם בייצור. כפי שאתה רואה, היישומים הפוטנציאליים של מחשוב קוונטי הם עצומים ויש הרבה תעשיות שניתן לשנות על ידי טכנולוגיה זו.

"פחדים" מהעתיד

מכל זה, קל להסיק שההשפעה של מחשוב קוונטי על החברה הולכת להיות משמעותית. ובדיוק כמו בכל טכנולוגיה מהפכנית אחרת, ישנם כמה סיכונים הקשורים למחשוב קוונטי. אחד האתגרים המשמעותיים ביותר הוא ההשלכות האתיות והחברתיות של הטכנולוגיה. למחשוב קוונטי יש פוטנציאל לשבור רבות משיטות ההצפנה המשמשות לאבטחת נתונים רגישים, מה שעלול להוביל להפרות פרטיות ולחששות אבטחה אחרים. בנוסף, מחשוב קוונטי יכול לשמש לפיתוח כלי נשק וטכנולוגיות חדשות שעלולים להוות איום על הביטחון העולמי.

סיכום

בעוד שמחשוב קוונטי מציג מספר אתגרים וסיכונים, ארגונים רבים פועלים באופן פעיל כדי להתמודד איתם על ידי פיתוח שיטות הצפנה חדשות, שיפור החומרה והתוכנה הקוונטית, כמו גם מתן הזדמנויות הכשרה והשכלה. לכן, אנו מאמינים שמחשוב קוונטי יחולל מהפכה בעולם בצורה טובה. על ידי פיתוח טכנולוגיות קוונטיות חזקות ואמינות, נוכל לנצל את מלוא הפוטנציאל של מחשוב קוונטי וליצור עתיד מזהיר יותר עבור המחשוב והחברה כולה. הזמן לפעולה הוא עכשיו, אז המשך לגלות את עולם הטכנולוגיה עם CodeGym!