מהם מחשבים קוונטיים?

למחשבים קוונטיים יש פוטנציאל להגדיל באופן דרמטי את המגוון והדיוק של החישובים, לפתוח יישומים חדשים למחשבים ולשפר את המודלים שלנו של תופעה פיזית. עם זאת, בעוד שמחשבים קוונטיים זוכים לסיקור תקשורתי הולך וגובר, רבים עדיין אינם בטוחים כיצד מחשבים קוונטיים שונים ממחשבים רגילים. הבה נבחן כיצד מחשבים קוונטיים עובדים, חלק מהיישומים שלהם ועתידם הקרוב.

מהו מחשב קוונטי?

לפני שנוכל לבחון בצורה משמעותית כיצד מחשבים קוונטיים להפעיל, עלינו להגדיר תחילה מחשבים קוונטיים. ההגדרה הקצרה של מחשב קוונטי היא זו: מחשב, המבוסס על מכניקת הקוונטים, המסוגל לבצע חישובים מורכבים מסוימים ביעילות הרבה יותר מאשר מחשבים מסורתיים. זו הגדרה מהירה של מחשבים קוונטיים, אבל נרצה לקחת קצת זמן כדי להבין באמת מה מפריד בין מחשבים קוונטיים למחשבים מסורתיים.

מחשבים רגילים מקודדים מידע עם מערכת בינארית: מייצגים כל סיביות של הנתונים כאחד או אפס. סדרות של אחדות ואפסים משורשרות יחד כדי לייצג נתחי מידע מורכבים כמו טקסט, תמונות ואודיו. עם זאת, במערכות בינאריות אלו, המידע יכול להיות מאוחסן רק כאחד ואפס, כלומר יש גבול קשה לאופן שבו הנתונים מיוצגים ומתפרשים, וכי ככל שהנתונים הופכים מורכבים יותר, הם בהכרח חייבים להפוך למחרוזות ארוכות יותר ויותר של אחדות. אפסים.

הסיבה שמחשבים קוונטיים מסוגלים לאחסן ולפרש נתונים בצורה יעילה יותר היא משום שהם אינם משתמשים בביטים כדי לייצג נתונים, אלא הם משתמשים ב-"קווביטים". קוויביטים הם חלקיקים תת-אטומיים כמו פוטונים ואלקטרונים. ל-Qubits יש כמה מאפיינים מעניינים שהופכים אותם לשימושיים עבור שיטות חישוב חדשות. ל-Qubits יש שני מאפיינים שמהנדסי מחשבים יכולים לנצל: סופרפוזיציות והסתבכות.

סופרפוזיציות קוונטיות מאפשרות לקיוביטים להתקיים לא רק במצב "אחד" או במצב "אפס", אלא לאורך רצף בין המצבים הללו, כלומר ניתן להחזיק מידע נוסף באמצעות קיוביטים. בינתיים, הסתבכות קוונטית מתייחסת לתופעה שבה ניתן ליצור זוגות של קיוביטים ואם קיוביט אחד משתנה, הקיוביט השני משתנה, באופן צפוי, גם כן. ניתן להשתמש במאפיינים קוונטיים אלה כדי לייצג ולבנות נתונים מורכבים בדרכים יעילות יותר.

כיצד פועלים מחשבי קוונטים

"סופרפוזיציות" קוונטיות מקבלים את שמם מהעובדה שהן יכולות להיות ביותר מעמדה אחת בכל פעם. בעוד שביטים יכולים להיות רק בשני מיקומים, קיוביטים יכולים להתקיים במספר מצבים בו-זמנית.

בין השאר הודות לקיומן של סופרפוזיציות קוונטיות, מחשב קוונטי מסוגל לחשב תוצאות פוטנציאליות רבות ושונות בו-זמנית. לאחר ביצוע החישובים, הקיוביטים נמדדים, מה שיוצר תוצאה סופית באמצעות קריסת המצב הקוונטי ל-0 או 1, כלומר, התוצאה יכולה להתפרש על ידי מחשבים מסורתיים.

חוקרי ומהנדסי מחשוב קוונטי יכולים לשנות את המיקום שבו נמצאים הקיוביטים באמצעות מיקרוגלים או לייזרים מדויקים.

מהנדסי מחשבים יכולים לנצל את ההסתבכות הקוונטית כדי לשפר באופן דרמטי את כוח העיבוד של מחשבים. הסתבכות קוונטית מתייחסת לעובדה שניתן לקשר שני קיוביטים יחדיו בצורה כזו ששינוי אחד מהקיוביטים משנה את הקיוביט השני בצורה אמינה. לא מובן לחלוטין מדוע קיוביטים יכולים לבסס קשר כזה או כיצד התופעה הזו עובדת בדיוק, אבל מדענים מבינים אותה מספיק טוב כדי לנצל אותה באופן פוטנציאלי עבור מחשבים קוונטיים. בגלל הסתבכות קוונטית, הוספה של קיוביטים נוספים למכונה קוונטית לא רק מכפילה את כוח העיבוד של המחשב, היא יכולה להגדיל את כוח העיבוד באופן אקספוננציאלי.

אם כל זה נראה קצת מופשט מדי, נוכל לתאר כיצד סופרפוזיציות שימושיות על ידי דימיון מבוך. כדי שמחשב רגיל ינסה לפתור מבוך, עליו לנסות כל נתיב של המבוך עד שימצא מסלול מוצלח. עם זאת, מחשב קוונטי יכול למעשה לחקור את כל הנתיבים השונים בו-זמנית, מכיוון שהוא אינו קשור לאף מצב נתון.

כל זה אומר שהמאפיינים של הסתבכות וסופרפוזיציות הופכות את המחשבים הקוונטיים לשימושיים מכיוון שהם יכולים להתמודד עם אי ודאות, הם מסוגלים לחקור יותר מצבים ותוצאות אפשריים. מחשבים קוונטיים יעזרו למדענים ומהנדסים לדגמן ולהבין טוב יותר מצבים מרובי פנים, עם משתנים רבים.

למה משמשים מחשבי קוונטים?

עכשיו, כשיש לנו אינטואיציה טובה יותר לגבי אופן הפעולה של מחשבים קוונטיים, בואו נחקור את האפשרי מקרי שימוש למחשבים קוונטיים.

כבר רמזנו לעובדה שניתן להשתמש במחשבים קוונטיים לביצוע חישובים מסורתיים בקצב מהיר הרבה יותר. עם זאת, ניתן להשתמש בטכנולוגיית מחשבים קוונטיים כדי להשיג דברים שאולי אפילו לא אפשריים, או שהם מאוד לא מעשיים, עם מחשבים מסורתיים.

אחד היישומים המבטיחים והמעניינים ביותר של מחשבים קוונטיים הוא בתחום הבינה המלאכותית. למחשבים קוונטיים יש את הכוח לשפר את המודלים שנוצרו על ידי רשתות עצביות, כמו גם את התוכנה התומכת בהם. גוגל משתמשת כעת במחשבי הקוונטים שלה לסייע ביצירת כלי רכב לנהיגה עצמית.

למחשבים קוונטיים יש גם תפקיד בניתוח אינטראקציות ותגובות כימיות. אפילו המחשבים הרגילים המתקדמים ביותר יכולים רק לדגמן תגובות בין מולקולות פשוטות יחסית, אותן הם משיגים על ידי הדמיית תכונות המולקולות המדוברות. מחשבים קוונטיים, לעומת זאת, מאפשרים לחוקרים ליצור מודלים בעלי התכונות הקוונטיות המדויקות כמו המולקולות שהם חוקרים. מודלים מהירים ומדויקים יותר של מולקולות יסייעו ביצירת תרופות טיפוליות חדשות וחומרים חדשים לשימוש ביצירת טכנולוגיית אנרגיה, כגון פאנלים סולאריים יעילים יותר.

ניתן להשתמש גם במחשבים קוונטיים כדי לחזות טוב יותר את מזג האוויר. מזג האוויר הוא מפגש של אירועים רבים והנוסחאות המשמשות לניבוי דפוסי מזג האוויר הן מסובכות ומכילות משתנים רבים. זה יכול לקחת הרבה מאוד זמן לבצע את כל החישובים הדרושים כדי לחזות את מזג האוויר, שבמהלכו תנאי מזג האוויר עצמם יכולים להתפתח. למרבה המזל, למשוואות המשמשות לניבוי מזג אוויר יש אופי גל שמחשב קוונטי יכול לנצל. מחשבים קוונטיים יכולים לעזור לחוקרים לבנות מודלים אקלים מדויקים יותר, הנחוצים בעולם שבו האקלים משתנה.

ניתן להשתמש במחשבים ובאלגוריתמים קוונטיים גם כדי להבטיח את פרטיות הנתונים של אנשים. קריפטוגרפיה קוונטית עושה שימוש בעקרון אי הוודאות הקוונטית, כאשר כל ניסיון למדוד אובייקט מסתיים בביצוע שינויים באובייקט זה. ניסיונות ליירט תקשורת ישפיעו על התקשורת שנוצרה ויראו עדויות לשיבוש.

עתיד המחשוב הקוונטי

רוב השימושים במחשבים קוונטיים יהיו מוגבלים לאנשי אקדמיה ועסקים. לא סביר שצרכנים/קהל הרחב יקבלו סמארטפונים קוונטיים, לפחות לא בקרוב. הסיבה לכך היא שזה דורש ציוד מיוחד כדי להפעיל מחשב קוונטי. מחשבים קוונטיים רגישים מאוד להפרעות, מכיוון שאפילו השינויים הקטנים ביותר בסביבה הסובבת יכולים לגרום לקיוביטים לשנות מיקום ולצאת ממצב הסופרפוזיציה. זה נקרא דה-קוהרנטיות, וזו אחת הסיבות לכך שההתקדמות במחשבים קוונטיים מגיעה כל כך לאט בהשוואה למחשבים רגילים. מחשבים קוונטיים צריכים בדרך כלל לפעול בתנאים של טמפרטורות נמוכות קיצוניות, מבודדים מציוד חשמלי אחר.

אפילו עם כל אמצעי הזהירות, הרעש עדיין מצליח ליצור שגיאות בחישובים, וחוקרים מחפשים דרכים להפוך את הקיוביטים לאמינים יותר. כדי להשיג עליונות קוונטית, כאשר מחשב קוונטי מאפיל לחלוטין על כוחו של מחשב-על נוכחי, יש לקשר קיוביטים זה לזה. מחשב קוונטי עליון באמת יכול לדרוש אלפי קיוביטים, אבל המחשבים הקוונטיים הטובים ביותר כיום יכולים בדרך כלל עוסקים רק בסביבות 50 קיוביטים. חוקרים עושים כל הזמן דרכים ליצירת קיוביטים יציבים ואמינים יותר. מומחים בתחום המחשבים הקוונטים חוזים כי מכשירים קוונטיים חזקים ואמינים עשוי להיות כאן תוך עשור.