מהי עליונות קוונטית?

מחשבים קוונטיים צפויים לפתור כמה בעיות מעבר להישג ידם של מחשבי העל החזקים ביותר שניתן להעלות על הדעת. הגעה לאבן דרך זו כונתה "עליונות קוונטית".

אבל אם העליונות הקוונטית הושגה עדיין ומה המשמעות של זה עבור התחום נותרו מעורפלים.

המונח "עליונות קוונטית" היהנטבע בשנת 2012עַל יְדֵיג'ון פרסקיל, פרופסור לפיזיקה תיאורטית ב-Caltech, כדי לתאר את הנקודה שבה איכול לעשות משהו שאדם קלאסי לא יכול.

חציית הסף הזה הפכה לכוכב מנחה עבור חברות הטכנולוגיה שבונות מחשבים קוונטיים בקנה מידה גדול. בשנת 2019, ב, גוגל הפכה לראשונה שהצהירה שהיא השיגה עליונות קוונטית. קבוצות אחרות העלו טענות דומות בשנים האחרונות.

עם זאת, כמה מהקביעות הללו, כולל זו של גוגל, נדחו מאז, לאחר שחוקרים פיתחו אלגוריתמים קלאסיים חדשים שעוברים רגל אל רגל עם מחשבים קוונטיים.

בנוסף, ניסויי עליונות קוונטית התמקדו בבעיות ללא יישומים מעשיים ברורים, מה שמצביע על כך שמחשבים קוונטיים שימושיים עדיין יכולים להיות רחוקים,וויליאם פפרמן, עוזר פרופסור למדעי המחשב באוניברסיטת שיקגו, סיפר ל- Live Science. אף על פי כן, הרעיון עזר להניע את ההתקדמות בתחום ויהווה קרש קפיצה מכריע לעבר מכונות חזקות יותר, הוא הוסיף.

"אתה צריך ללכת לפני שאתה יכול לרוץ," אמר פפרמן. "אני לא חושב שלמישהו יש מפת דרכים מושלמת איך לעבור מהשגת יתרון קוונטי בצורה ממש מכרעת לשלב הבא של. אבל אני משוכנע שזה השלב הראשון בתהליך".

איך הפגנות עליונות קוונטיות באו לידי ביטוי עד כה

מדעני מחשבים תיאורטיים גילו כמה אלגוריתמים קוונטיים שיכולים, באופן עקרוני, לפתור בעיות הרבה יותר מהר מאלו הקלאסיים. זה בגלל שהם יכולים לנצל השפעות קוונטיות כמווסופרפוזיציה כדי לקודד נתונים ביעילות רבה ולעבד הרבה יותר חישובים במקביל ממה שמחשב קלאסי יכול. אבל המספר של- המקבילה הקוונטית של סיביות - הנדרשת כדי ליישם אותם בקנה מידה מספיק כדי להראות יתרון הוא הרבה מעבר למה שזמין עם המעבדים הקוונטיים של היום.

כתוצאה מכך, המאמצים להפגין עליונות קוונטית התמקדו בבעיות מתוכננות ביותר שנועדו לטובת המחשב הקוונטי. הניסוי של גוגל לשנת 2019 כלל מעבד של 54 קיוביטים שביצע סדרה של פעולות אקראיות. למרות שהפלט יהיה חסר תועלת ביסודו, החוקרים העריכו שייקח בערך 10,000 שנים לדמות את התהליך במחשב העל של Oak Ridge National Laboratory של Summit, המכונה הקלאסית החזקה ביותר בעולם באותה תקופה.

זה בגלל המאפיינים יוצאי הדופן שלאומר שהדמיית מערכות אלו במחשב קלאסי הופכת במהירות לבלתי ניתנת לפתרון ככל שהן גדלותשמעון בנימין, פרופסור לטכנולוגיות קוונטיות באוניברסיטת אוקספורד. "זה לא שמחשבים קוונטיים הם דברים מסתוריים וקסומים", אמר. "אנחנו מכירים את המשוואות שהם מצייתים להן. אבל ככל שאתה מחשיב משוואות גדולות יותר, זה נהיה קשה יותר ויותר עבור המחשב הקלאסי לעקוב אחר המשוואות האלה."

זה נובע מהתופעה הקוונטית של סופרפוזיציה. בעוד שביט במחשב קלאסי יכול לייצג רק 1 או 0, קיוביט יכול לקודד תערובת מורכבת של שני המצבים בו זמנית. באופן מכריע, קיוביטים מרובים יכולים להיות בסופרפוזיציה משותפת, כלומר מערכת קוונטית יכולה לייצג את כל השילובים האפשריים של ערכי קיוביט בו זמנית.

זה אומר שתיאור של שני קיוביטים דורש ארבעה מספרים כדי לכסות את כל המצבים האפשריים של המערכת, הסביר בנג'מין. ולכל קיוביט נוסף, מספר הסיביות הקלאסיות הנדרשות לייצג את מצב המחשב הקוונטי מכפיל את עצמו. "די מהר אנחנו מוצאים את עצמנו מגיעים למספרים גדולים", אמר.

כדי לספק מושג באיזו מהירות הבעיה מתרחבת, אמר בנג'מין, ניתן לדמות בנוחות מערכת של 30 קיוביטים במחשב נייד טוב. עד 40 קיוביטים תזדקק למחשב-על בקנה מידה אוניברסיטאי, ובערך 46 קיוביטים תגיע לגבולות המכונות הקלאסיות החזקות ביותר בעולם.

עם זאת, הערכות אלו מתייחסות לאתגר של הדמיה מדויקת של מערכת קוונטית מושלמת. במציאות, המחשבים הקוונטים של היום מועדים מאוד לשגיאות, מה שמספק קיצורי דרך לאלגוריתמים קלאסיים. בשנת 2022, קבוצה מהאקדמיה הסינית למדעים הראתה שמחשב-על בקנה מידה אוניברסיטאי יכוללדמות את הניסוי הקוונטי של גוגל לשנת 2019תוך שעות בלבד, בין השאר על ידי הקרבת דיוק למהירות.

מדוע תועלת קוונטית טובה לעליונות קוונטית

תביעות עליונות קוונטיות אחרות עמדו באתגרים דומים. קבוצה באוניברסיטה למדע וטכנולוגיה שלטען במאמר משנת 2021שפעולת דגימה אקראית שהם ביצעו במחשב קוונטי מבוסס אור של 144 קיוביטים תהיה מעבר לכל מכונה קלאסית. אבל פפרמן אמר לקבוצה שלושהם יכולים לנצל את הרעש במערכת כדי לדמות את הניסוי תוך פחות משעה. אותה גישה צריכה להיות מסוגלת לדמות דומהניסוי עליונות קוונטיתהוכרז על ידי הסטארט-אפ Xanadu בשנת 2022, הוא הוסיף.

עד כמה שפפרמן יודע, ישנם שני ניסויי עליונות קוונטית שעדיין עומדים על תילם. בשנת 2023, גוגלהשתמש במעבד 70 קיוביטיםלהרחיב את התוצאה הקודמת של החברה, ו, Quantinuum טענה שחצתה את אבן הדרך עם המחשב הקוונטי שלה בנפח 56 קיוביטים H2-1. אבל פפרמן לא יתפלא אם יפתחו גישות קלאסיות שיכולות לדמות במהירות את הניסויים האלה בעתיד. "אני לא עוצר את נשימתי," אמר.

הישג סופי של עליונות קוונטית ידרוש הפחתה משמעותית בשיעורי השגיאות של החומרה הקוונטית או הבנה תיאורטית טובה יותר של איזה סוג של רעש גישות קלאסיות יכולות לנצל כדי לעזור לדמות את ההתנהגות של מחשבים קוונטיים מועדים לשגיאות, אמר פפרמן.

אבל הלוך ושוב זה בין גישות קוונטיות לגישות קלאסיות עוזר לדחוף את התחום קדימה, הוא הוסיף, ויוצר מחזור סגולה שעוזר למפתחי חומרה קוונטית להבין היכן הם צריכים להשתפר.

"בגלל המחזור הזה, הניסויים השתפרו באופן דרמטי", אמר פפרמן. "וכתאורטיקן שממציא את האלגוריתמים הקלאסיים האלה, אני מקווה שבסופו של דבר, אני לא מסוגל לעשות את זה יותר."

אמנם לא בטוח אם העליונות הקוונטית כבר הושגה, אבל ברור שאנחנו על סף זה, אמר בנג'מין. אבל חשוב לזכור שהשגת אבן דרך זו תהיה הישג אקדמי וסמלי במידה רבה, שכן הבעיות בהן מתמודדים אינן מועילות בפועל.

"אנחנו בסף הזה, בגדול, אבל זה לא סף מעניין, כי מהצד השני שלו, שום דבר לא קורה קסם", אמר בנג'מין. "מחשבים קוונטיים לא הופכים לפתע שימושיים."

זו הסיבה שרבים מהתחום ממקדים מחדש את מאמציהם במטרה חדשה: הפגנת "תועלת קוונטית", או היכולת להראות מהירות משמעותית ביחס למחשבים קלאסיים בבעיה שימושית מעשית. כמה קבוצות,, מקווים שאפילו המחשבים הקוונטים המועדים לשגיאות של היום יוכלו להשיג זאת בטווח הקרוב בכמה בעיות ספציפיות.

גוגל גם הפגינה לאחרונה אבן דרך מרכזית במירוץ להשגת מחשוב קוונטי סובלני לתקלות.היה הראשון שהסיר יותר שגיאות ממה שהוצגו כאשר אתה מגדיל את מספר הקיוביטים הפיזיים בקיוביט לוגי. המשמעות היא הפחתת שגיאות אקספוננציאלית ומסלול אפשרי למחשוב קוונטי נטול שגיאות.

אבל בנג'מין אמר שיש הסכמה גוברת בשטח שאבן דרך זו לא תושג עד שיהיו לנו מחשבים קוונטיים עמידי תקלות. זה ידרושעם הרבה יותר קיוביטים ממה שיש לנו היום, הוא אמר, מכיוון שקודי תיקון השגיאות הקוונטיים הנחקרים ביותר דורשים בסדר גודל של 1,000 קיוביטים פיזיים כדי לייצר קיוביט יחיד סובלני תקלות, או לוגי.

מכיוון שהמחשבים הקוונטיים הגדולים ביותר של היום חצו זה עתה את רף 1,000 קיוביטים, זה כנראה עדיין רחוק. "אני אופטימי שבסופו של דבר יתקיים מחשב קוונטי כזה, אבל אני פסימי שהוא יתקיים בחמש או 10 השנים הקרובות", אמר פפרמן.