"חוק מור" קוונטי: יבמ תשיק מעבד עם 1,000 קיוביטים ב-2023

חברת יבמ (IBM) הכריזה השבוע על מפת דרכים שאפתנית בתחום המחשוב הקוונטי, לפיה תסיים לפתח עד סוף שנת 2023 מעבדים קוונטיים הכוללים מערך של 1,000 קיוביטים (Qbit), יחידת החישוב הבסיסית במחשוב קוונטי. מדובר בעוצמת מחשוב הגדולה באופן אקספוננציאלי בהשוואה למחשבים הקוונטיים הקיימים, שכוללים עשרות בודדות של קיוביטים.

יבמ היא אחת החברות המתקדמות ביותר בתחום המחשוב הקוונטי. ב-2016 היתה יבמ הראשונה שהציעה לחברות, חוקרים ומפתחים גישה למחשב הקוונטי שלה דרך הענן. כיום, הענן של יבמ מספק גישה ליותר מ-20 מחשבים קוונטיים של 5-קיוביטים ו-24-קיוביטים, והשנה השיקה מחשב קוונטי חדש עם 65-קיוביטים, שהוא המחשב הקוונטי החזק ביותר נכון להיום. גם במסגרת התוכנית החדשה, יבמ מתכוונת להעמיד את המחשבים הקוונטיים העתידיים לרשות הציבור דרך הענן.

מקררי-על למיליוני קיויביטים

יבמ פורסת במפת הדרכים שלה מעין "חוק מור" קוונטי, לפיו מספר הקיוביטים במעבדים קוונטיים יוכפלו כל שנה-שנתיים. ב-2022 תשלים יבמ פיתוח של מעבד קוונטי עם 400 קיוביטים, וב-2023 תשיק מעבד עם 1,121 קיוביטים שייקרא קונדור, ויהווה את הבסיס להמשך הגידול הסקאלבילי של המחשבים הקוונטיים. החזון של יבמ עבור העתיד הרחוק יותר הוא שאפתני עוד יותר: "מפת הדרכים שלנו תיקח אותנו מהמחשבים הקוונטיים הקטנים והרועשים של ימינו למחשבי העתיד, שיכללו יותר ממיליון קיוביטים."

מהנדסי חטיבת הקוונטום של יבמ. קרדיט: Connie Zhou

הקיוביטים של יבמ מתבססים על מוליכי-על (superconductors), וזאת בשל התנגדותם האפסית בטמפרטורות נמוכות. כחלק מבניית התשתית, יבמ הודיעה כי תבנה בעצמה מקרר-על (שייקרא Golden Eye) בגובה 3 מטר ורוחב של 2 מטר, שיוכל לאכלס מערכים של 1,000 קיוביטים. צוות המהנדסים של יבמ כבר החל לערוך ניסויי היתכנות, כשהמטרה היא לבנות רשת של מקררי-על המחוברים זה לזה ומספקים ביחד יכולות מחשוב של מיליון קיוביטים.

מטרת המקררים היא לשמור על מערך הקיוביטים בטמפרטורה הנושקת לאפס המוחלט, כדי להימנע מכל הפרעה אלקטרומגנטית שעשויה לקטוע את המעגל הקוונטי. במחשוב קוונטי, הקרינה הזעירה ביותר עלולה להרוס את תהליך החישוב, וזאת בשל תופעה קוונטית הקרויה "קריסת פונקציית הגל', שבה כל אינטראקציה עם העולם החיצון גורמת למערכת לאבד את אופייה הקוונטי ולחזור ולהתנהג כמו חלקיקים "קלאסיים".  ביבמ מציינים כי האתגר הגדול ביותר בפיתוח מחשבים קוונטיים גדולים הוא ביכולת לשמר את המצב הקוונטי של מערכי קיוביטים עד להשלמת המעגל הקוונטי (quantum circuit).

לפצח את מולקולת הכולסטרול

בשיחה עם Techtime מסביר ניר מינרבי, מנכ"ל חברת קלאסיק (Classiq) הישראלית, המפתחת פתרונות תוכנה למחשוב קוונטי, את המשמעות המעשית של מפת הדרכים שהציגה יבמ. "עצם העובדה שחברה כמו יבמ, שאינה נוהגת לצאת בהצהרות מרחיקות לכת, מציגה מפת דרכים טכנולוגית מפורטת עם יעדים ברורים – זה דרמטי ומגביר את אמון התעשייה בעתיד המחשוב הקוונטי."

אף שעוצמת המחשבים הקוונטיים גדלה בהתמדה, מגוון היישומים שניתן להפעיל באמצעותם עדיין מוגבל. ואולם, מפת הדרכים של יבמ מציגה מעבדים קוונטיים שמהווים קפיצת איכות משמעותית כבר בשנים הקרובות. לדבריו של מינרבי, מחשוב קוונטי מהווה "שובר-שיוויון" בדיוק בסוגי הבעיות שמחשבים קלאסיים, ואפילו  מחשבי-על, מתקשים להתמודד עמן.

"כל מחשבי-העל בעולם, ביחד, לעולם לא יצליחו לסמלץ מולקולת כולסטרול. אולם מחשב קוונטי עם כמה מאות קיוביטים יצליח לעשות זאת, ויאפשר לבדוק כיצד מגיבות מולקולות שונות עם כולסטרול ולפתח תרופות. כיום, ניתן לעשות זאת רק בניסויים ולא באמצעות מודלים ממוחשבים. גם במשימות של אופטימיזציה, הצפנה, והאצת למידת-מכונה, מחשבים קוונטיים יוכלו לחולל מהפכה".

לבנות את השכבה הבאה ב-stack הקוונטי

חברת קלאסיק מפתחת פתרונות CAD שיאפשרו לכתוב יישומים עבור מחשבים קוונטיים, ויש לה כבר מספר לקוחות בתחומי הבנקאות, הנדסת חומרים ותרופות. "המהפיכה הקוונטית מורכבת משניים: החומרה והתוכנה. כיום כמעט בלתי אפשרי לפתח יישומים למחשב קוונטי, מאחר שצריך לתכנת ברמת השערים הלוגיים. זה כמו לתכנן שבב ברמת הטרנזיסטורים. אנחנו בונים את הכלים שמאפשרים לפתח יישומים ברמת הפשטה גבוהה יותר. את השכבה הבאה ב-stack הקוונטי."

עבור קלאסיק, מפת הדרכים של יבמ היא בשורה משמעותית. "ככל שהמחשבים מתחזקים, יותר חברות מעוניינות לפתח יישומים למחשבים קוונטיים שיעזרו לפתור בעיות בתחומיהן. כיום כל התעשייה מסתכלת על ההצהרה של יבמ. עכשיו יש אופק ברור, והחברות יודעות שעוד שנים ספורות יהיו מחשבים קוונטיים שיריצו אלגוריתמים משמעותיים. לכן הן מתחילות עכשיו להשקיע בפיתוח תוכנות ויזדקקו לפתרונות כמו שלנו כדי לבנות יישומים."

האזינו לשיחה עם ניר מינרבי, מתוך תוכנית הפודקאסט שלנו שעלתה בחודש אוגוסט 2020:

מייסדי קלאסיק, מימין לשמאל: אמיר נווה סמנכ"ל המו"פ, ניר מינרבי המנככ"ל ויהודה נווה הטכנולוג הראשי

"האנשים מאחורי הטכנולוגיה": איך כותבים תוכנה למחשב קוונטי

מנחה: יוחאי שויגר
עורך: רוני ליפשיץ
מנגינת פתיחה: ניר שדה

[בתמונה למעלה מימין לשמאל: שלושת המייסדים, אמיר נווה סמנכ"ל המו"פ, ניר מינרבי המנככ"ל ויהודה נווה הטכנולוג הראשי] 

האורח בתוכנית הוא ניר מינרבי, מנכ"ל ואחד ממייסדי חברת הסטארט-אפ קלאסיק (Classiq), המפתחת את תשתית התוכנה למהפכת המחשוב הקוונטי.

בשנים האחרונות חלה פריצת דרך בתחום המחשוב הקוונטי, ורבות מענקיות הטכנולוגיה בונות מחשבים קוונטיים חזקים יותר ויותר שמסוגלים לבצע משימות משמעותיות. ואולם, כדי להוציא לפועל את המהפכה צריך כלי תוכנה שיאפשרו לכתוב יישומים למחשוב קוונטי, וזה מה שעושה קלאסיק.

בשיחה, מסביר ניר כיצד עובד מחשב קוונטי ולמה צריך להחזיק אותו בטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט, על עולמם המוזר של הקיו-ביטים, איך מפתחים שפה שתאפשר לבנקים, חברות תרופות, יצרניות רכב וחברות מתעשיות אחרות לכתוב יישומים מחוללי-שינוי למחשב קוונטי, וגם על הכלים שקיבלה החברה בתוכנית הצמיחה Intel Ignite.

עקבו אחר כל תוכניותינו ב-Spotify

וגם ב-Apple Podcasts

חברת קוונטום מאשינס התל אביבית גייסה 17.5 מיליון דולר

בתמונה למעלה: מערכת OPX – Orchestration Platform של חברת קוונטום מאשינס

חברת קוונטום מאשינס (QM – Quantum Machines) התל-אביבית גייסה 17.5 מיליון דולר כדי להאיץ את הפיתוח והאספקה של מערכות שליטה ובקרה במחשבים קוונטיים. הגיוס הובל על-ידי אביגדור וילנץ, חברת הראל ובהשתתפות המשקיעים הקודמים בחברה: LV Partners ו-Battery Ventures. חברת QM מתמקדת בפיתוח ובניית מערך הבקרה העוטף את המעבד הקוונטי, במטרה להקל על כתיבת תוכנות ועל קישוריות בין המחשב הקוונטי לבין מחשבים סטנדרטיים.

אביגדור וילנץ, אשר היה המשקיע העיקרי בחברת הבאנה לאבס שנמכרה לאינטל בדצמבר 2019, תמורת כ-2 מיליארד דולר, אמר שהחליט לתמוך בחברת QM לאחר שחזה בהתלהבות גדולה בפתרון של החברה מצידה של קהיליית המיחשוב הקוונטי. "המירוץ למחשב קוונטי מסחרי הוא אחד מהאתגרים הטכנולוגיים המלהיבים ביותר בדור שלנו. מטרתנו ב-QM היא להאיץ את המהפיכה ולהתבסס כשחקן חיוני בתעשייה המתפתחת הזאת".

הגיוס הקודם של החברה בוצע בנובמבר 2018 ובמהלכו היא גייסה 5.5 מיליון דולר. קוונטום מאשינס הוקמה בתחילת 2018 על-ידי המנכ"ל ד"ר איתמר סיון, ד"ר יונתן כהן המשמש כטכנולוג הראשי של החברה וד"ר נסים אופק המשמש כסמנכ"ל המחקר. שלושתם דוקטורים לפיסיקה עם התמחות במיחשוב קוונטי ואלקטרוניקה קוונטית, אשר ביצעו את מחקריהם בתחום המחשוב הקוונטי, עם דגש על אלקטרוניקה קוונטית, במכון התת-מיקרוני בפקולטה לפיזיקה שבמכון וייצמן תחת הנחייתו של פרופ’ מוטי הייבלום.

מייסדי החברה מימין לשמאל: המנכ"ל איתמר סיון, סמנכ"ל טכנולוגיה יונתן כהן, סמנכ"ל מחקר נסים אופק
מייסדי החברה מימין לשמאל: המנכ"ל איתמר סיון, סמנכ"ל טכנולוגיה יונתן כהן, סמנכ"ל מחקר נסים אופק

מערכת Orchestration Platform של החברה (OPX) כוללת חומרה ותוכנה, ואחראית לקבל אלגוריתם קוונטי בשפת תכנות חדשה שהחברה פיתחה (QUA) – ולתרגם אותו לאותות הנשלחים למעבד הקוונטי. אותם אותות הם אלה שמריצים את האלגוריתם בפועל על המעבד. "המעבד הקוונטי מאוד רגיש, והדבר גורם להרבה טעויות בחישוב הקוונטי", הסביר בעבר כהן ל-Techtime.

"כדי להשתמש בו בצורה אפקטיבית, רמת השליטה במערכת צריכה להיות גבוהה באופן קיצוני. אנחנו החברה הראשונה בעולם הממוקדת באופן מוחלט במערכות שיאפשרו כזאת רמה של שליטה. רוב המאמצים כיום ממוקדים בחומרה הקוונטית. אולם ככל שמגדילים את מספר יחידות הקיוביט של המעבדים, המורכבות של האלגוריתמים גדלה והמחשבים והתוכנה הקלאסיים המחוברים אל המערך הקוונטי, הופכים לצוואר הבקבוק של המערכת".

שיתוף פעולה עם יבמ

לדברי המנכ"ל סיון, כבר היום יש לחברה לקוחות משלמים מחברות גדולות מאוד. בחודש שעבר הצטרפה QM אל קבוצת  IBM's Q Network, שהוקמה על-ידי יבמ, לצורך שיתוף פעולה בין חברות הטכנולוגיה וקבוצות המחקר המובילות בעולם בפיתוח טכנולוגיות מיחשוב קוונטי. בינואר השנה היא קיבלה זריקת עידוד כאשר אחד מהמומחים המובילים בעולם בתחום העיבוד הקוונטי, פרופ' אמיר יעקובי מאוניברסיטת הרווארד, הצטרף אל צוות הייעוץ המדעי של החברה.

יעקובי הצטרף להרווארד בשנת 2006, לאחר קבלת תואר דוקטורט ממכון וייצמן. כיום הוא גם חבר באקדמיה הלאומית למדעים בארה"ב. לדבריו, הרבה מאוד קבוצות מחקר וחברות בעולם בונות כיום מחשבים קוונטיים המבוססים על ארכיטקטורות שונות. "קוונטום מאשינס היא החברה הראשונה המפתחת את החומרה והתוכנה הדרושים כדי להשתמש באופן מעשי במעבדים קוונטיים".

מהו מחשב קוונטי

מחשב קוונטי מבוסס על תכונות של חלקיקים קוונטיים. בפיסיקה של חלקיקים זעירים, אלקטרון  יכול להיות במספר מצבים שונים בו-זמנית (בהתאם להסתברויות שונות). מכאן שמחשב קוונטי המבוסס על יחידת בסיס הנקראת קיוביט (Quantum Bit) יכול להיות בו-זמנית ב-2 בחזקת n (המספר n מייצג את מספר הקיוביטים במחשב) מצבים בו-זמנית – ולספק בבת אחת מספר עצום של תוצאות לבעיה חישובית נתונה.

הדבר מאפשר לבצע במהירות עצומה חישובים רבים בעלי אלגוריתם זהה, כמו למשל עיבוד תמונה, סימולציות ופיענוח צפנים. מחשבים קוונטיים פותחים אפשרויות חדשות בתחומי האופטימיזציה והסימולציה, אליהן לא ניתן להגיע באמצעות המחשבים המוכרים לנו כיום. מכיוון שקריאת מידע קוונטי משפיעה על מצב החלקיק, מערכות חישוב קוונטיות יכולות לספק תקשורת עמידה בפני ציטוטים – מכיוון שכל ציטוט משפיע על המידע ומיד מתגלה.

החישוב הקוונטי נחשב למהפכני משום שהוא מפר במידה רבה את עקרון הבסיס עליו מושתת המחשב הסטנדרטי, שהוא יחידת החישוב הקלאסית "ביט". יחידות החישוב (ביטים) במחשב רגיל מבוססות על רצפים בינאריים של 0 או 1, אולם במחשב קוונטי הביט הקוונטי יכול להימצא בסופרפוזיציה, כלומר גם ב-0 וגם ב-1 בו-זמנית. מכאן שבמערכת הכוללת הרבה ביטים קוונטיים, הם יכולים להיות בו-זמנית בכל הקומבינציות הבינריות. המשמעות היא שניתן להאיץ דרמטית של חישובים מסובכים, ולבצע חישובים שלא ניתן לבצע במחשב סטנדרטי, דוגמת פתרון הצפנת RSA המבוססת על פירוק של מספרים גדולים לגורמיהם הראשוניים – בזמן סביר.

קוונטום מאשינס מפתחת מערכת בקרת מחשב קוונטי

מייסדי החברה מימין לשמאל: המנכ"ל איתמר סיון, סמנכ"ל טכנולוגיה יונתן כהן, סמנכ"ל מחקר נסים אופק

חברת קוונטום מאשינס (Quantum Machines) התל-אביבית גייסה 5.5 מיליון דולר כדי לפתח מערכות שליטה ובקרה שיאפשרו שימוש במחשבים קוונטיים. המיחשוב הקוונטי, המבוסס על התכונות הקוונטיות של החומר, צפוי לחולל מהפיכה בתחומי המיחשוב, אולם עדיין קשה מאוד לממש מחשבים קוונטיים בקנה מידה תעשייתי. חברת QM החליטה להתמקד במערך הבקרה העוטף את המעבד הקוונטי, במטרה להקל על כתיבת תוכנות ועל קישוריות בין המחשב הקוונטי לבין מחשבים סטנדרטיים.

"העוצמה של מחשבים קוונטיים נובעת מהעושר והמורכבות שלהם", הסביר מנכ"ל החברה, איתמר סיון. "אולם היתרונות האלה גם מקשים מאוד על ההפעלה שלהם. זו הבעיה שאנחנו מנסים לפתור". החברה הוקמה בתחילת 2018 ומפתחת כיום את מערכת הבקרה OPERATOR-X, שאותה היא תנסה למכור לחברות הענק ולחוקרים באקדמיה המתמקדות כיום בפיתוח מעבדים קוונטיים. החברה הוקמה על-ידי ד"ר איתמר סיון, ד"ר יונתן כהן המשמש כטכנולוג הראשי של החברה וד"ר נסים אופק המשמש כסמנכ"ל המחקר, שלושתם דוקטורים לפיסיקה עם התמחות במיחשוב קוונטי ואלקטרוניקה קוונטית.

כיצד מדברים עם מחשב קוונטי

ההשקעה בוצעה על-ידי קרנות ההון סיכון TLV Partners ובטרי ונצ’רס. כיום החברה כוללת 8 עובדים, והיא מתכננת לגייס 8 נוספים בשנה הקרובה, מרביתם מהנדסים ופיסיקאים. המערכת שמפתחת QM כוללת חומרה ותוכנה, ולמעשה אחראית לקבל אלגוריתם קוונטי בשפת תכנות חדשה שהחברה מפתחת – ולתרגם אותו לאותות שנשלחים למעבד הקוונטי. אותם אותות הם אלה שמריצים את האלגוריתם בפועל על המעבד.

"המעבד הקוונטי מאוד רגיש, והדבר גורם להרבה טעויות בחישוב הקוונטי", אמר כהן. "כדי להשתמש בו בצורה אפקטיבית, רמת השליטה במערכת צריכה להיות גבוהה באופן קיצוני. אנחנו החברה הראשונה בעולם שמפוקסת באופן מוחלט על פיתוח מערכות שיאפשרו כזאת רמה של שליטה. למרות שהמיחשוב הקוונטי מתפתח בקצב מהיר, עדיין יש הרבה אתגרים שצריך לפתור כדי שהמחשבים האלה יוכלו לפתור בעיות אמיתיות. רוב המאמצים ממוקדים בחומרה הקוונטית. אולם ככל שמצליחים להגדיל את מספר יחידות הקיוביט של המעבדים, המורכבות של האלגוריתמים גדלה והמחשבים וההתוכנה הקלאסיים הופכים לצוואר בקבוק".

שלושתם ביצעו את מחקרם בשנים האחרונות בתחום המחשוב הקוונטי, בדגש על אלקטרוניקה קוונטית, במכון התת-מיקרוני בפקולטה לפיזיקה שבמכון וייצמן תחת הפרופ’ מוטי הייבלום. שם הם חקרו את הפוטנציאל של מערכות אלקטרוניות להפוך לביט קוונטי מוגן מפני שגיאות. אופק, סמנכ"ל מחקר ופיתוח, המשיך לאחר מכן לפוסט דוקטורט באוניברסיטת ייל, כאשר סיוון וכהן ניהלו לפני-כן מרכז יזמות במכון וייצמן למדע, אשר סייע לבעלי תארי דוקטור מהמכון להקים חברות סטארט-אפ בעלי עומק טכנולוגי.

מהו מחשב קוונטי

מחשב קוונטי מבוסס על תכונות של חלקיקים קוונטיים. בפיסיקה של חלקיקים זעירים, אלקטרון  יכול להיות במספר מצבים שונים בו-זמנית (בהתאם להסתברויות שונות). מכאן שמחשב קוונטי המבוסס על יחידת בסיס הנקראת קיוביט (Quantum Bit) יכול להיות בו-זמנית ב-2 בחזקת n (המספר n מייצג את מספר הקיוביטים במחשב) מצבים בו-זמנית – ולספק בבת אחת מספר עצום של תוצאות לבעיה חישובית נתונה.

הדבר מאפשר לבצע במהירות עצומה חישובים רבים בעלי אלגוריתם זהה, כמו למשל עיבוד תמונה, סימולציות ופיענוח צפנים. מחשבים קוונטיים פותחים אפשרויות חדשות בתחומי האופטימיזציה והסימולציה, אליהן לא ניתן להגיע באמצעות המחשבים המוכרים לנו כיום. מכיוון שקריאת מידע קוונטי משפיעה על מצב החלקיק, מערכות חישוב קוונטיות יכולות לספק תקשורת עמידה בפני ציטוטים – מכיוון שכל ציטוט משפיע על המידע ומיד מתגלה.

החישוב הקוונטי נחשב למהפכני משום שהוא מפר במידה רבה את עקרון הבסיס עליו מושתת המחשב הסטנדרטי, שהוא יחידת החישוב הקלאסית "ביט". יחידות החישוב (ביטים) במחשב רגיל מבוססות על רצפים בינאריים של 0 או 1, אולם במחשב קוונטי הביט הקוונטי יכול להימצא בסופרפוזיציה, כלומר גם ב-0 וגם ב-1 בו-זמנית. מכאן שבמערכת הכוללת הרבה ביטים קוונטיים, הם יכולים להיות בו-זמנית בכל הקומבינציות הבינריות. המשמעות היא שניתן להאיץ דרמטית של חישובים מסובכים, ולבצע חישובים שלא ניתן לבצע במחשב סטנדרטי, דוגמת פתרון הצפנת RSA המבוססת על פירוק של מספרים גדולים לגורמיהם הראשוניים – בזמן סביר.