בדרך למהפכה הקוונטית: השיפור המהפכני שיזניק את תעשיית העתיד של המחשוב הקוונטי 

חברת המחשוב הקוונטי של אוניברסיטת תל אביב - קוונטום פולס וונצ'רס הודיעה כי פיתחה קופלר (מצמד) קוונטי אוניברסלי שמשפר ממשמעותית את העמידות לשגיאות במחשוב קוונטי פוטוני ואשר עשוי לקדם מאוד את מהפכת המחשוב הזו בשנים רבות.

את הטכנולוגיה פורצת הדרך פיתחו חוקרים מאוניברסיטת תל אביב בשיתוף החברה, והיא מוצעת כעת למפתחים מכל העולם. קוונטום פולס וונצ'רס, שנוסדה ב-2021, קיבלה מחברת המסחור של אוניברסיטת תל אביב, רמות, זכות בלעדית על הפטנטים הקשורים במהפכת המחשוב הקוונטי הפוטוני ועל הבאתם הטכנולוגיות החדישות הללו לשוק.

"ישנים מספר סוגים עיקריים של טכנולוגיות לבניית מחשב קוונטי: מוליכי-על, יונים כלואים, אטומים ניטרליים ומחשוב קוונטי מבוסס אור, כלומר פוטוני", מסביר פרופ' ירון עוז, ראש המרכז למדע וטכנולוגיה קוונטית באוניברסיטת תל אביב, שהוא גם מייסד-שותף והמדען הראשי בחברה. "מחשוב קוונטי פוטוני עובד כך שבתוך הקיוביט ישנן שתי מסילות, ואם הפוטון נע באחת – התוצאה 0, ואם באחרת – התוצאה 1. אבל אם עובר בשתי המסילות יחד – התוצאה היא סופרפוזיציה של 0 ו-1. למחשב קוונטי פוטוני יש שני יתרונות מובהקים: ראשית הפוטונים אינם רגישים לסביבתם, כך שאין צורך בקירור מיוחד ואפשר להפעיל את המחשב בטמפרטורת החדר. והיתרון הנוסף הוא הסקלביליות, המדרגיות: בפוטוניקה יש טכניקות ייצור ידועות בצ'יפים, כך שאין בעיה לייצר מיליוני קיוביטים".

שעה שביט רגיל של מחשב יכול להתקיים במצב של 0 או 1, קיוביטים של מחשוב קוונטי יכולים להתקיים בשני המצבים בעת ובעונה אחת – ולכן כוח המחשוב הקוונטי הפוטנציאלי גדל מעריכית: שעה שמחשב בן 10 ביטים יכול לעבד עשרה נתונים, מחשב קוונטי בן 10 קיוביטים יכול באותו הזמן לעבד 2 בחזקת 10, או 1,024, נתונים. לשם כך המחשב עושה שימוש בשתי תכונות של מכניקת קוונטים. הראשונה היא סופרפוזיציה (חלקיק אחד יכול להימצא בשני מקומות בעת ובעונה אחת), והאחרת היא שזירה הקוונטית (כאשר שני חלקיקים שזורים זה בזה, ברגע שחלקיק אחד "מכריע" איפה הוא נמצא, הוא משפיע על התנהגות החלקיק האחר).

שיפור מהפכני שיזניק את תעשיית העתיד של המחשוב הקוונטי 

"אם כן למה אין לנו מחשבים קוונטיים במשרד ובבית? התשובה נמצאת בשגיאה", מספר פרופ' עוז. "הסיכוי של מחשב קלאסי לטעות הוא מזערי. הקיוביטים לעומת זאת רגישים מאוד והשגיאה שלהם גדולה. כך למשל, שגיאה של אחוז בדיוק תגרום לכך שאחרי מאה פעולות, כל החישוב הופך לשגוי. במחשוב פוטוני, האתגר הוא לבנות את הקופלרים, המצמדים הקוונטיים, בצורה מדויקת ככל האפשר כדי להוריד את סף השגיאה – אלא שמדובר פה על שערים בגודל ננו-מטרי. הפטנט שלנו הוא בתכנון הקופלר בעזרת גיאומטריה קצת אחרת: במקום שער כמסילה ישרה, יש לו ארכיטקטורה של גדול-קטן. את הארכיטקטורה הקוונטית הזאת בדקנו מתמטית, והיא אכן הורידה את סף השגיאה, וגם בדקנו אותה בניסויים".

הקופלרים שפיתחו החוקרים מאוניברסיטת תל אביב מורידים את דרישות החומרה, מפחיתים את זמן ההפעלה הנדרש לחישוב ומשפרים את העמידות לשגיאות במחשוב קוונטי פוטוני. פרופ׳ חיים סוכובסקי מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה, מוביל המעבדה הניסיונית שפיתחה את הקופלר, קיבל את ההשראה לפיתוח מטכניקה מתמטית שהומצאה במקור בתחום ה-MRI ויישם אותה לראשונה בתחום המעגלים הפוטוניים המוכללים. פרופ' סוכובסקי זיהה את העובדה שיש מכנה משותף מתמטי בין מעגלים פוטוניים, תגובה אטומית ב-MRI ומערכת פשוטה ויומיומית – שתי מטוטלות מחוברות בקפיץ – כדי להציג פתרון פשוט לבעיה מורכבת. 

באוניברסיטת תל אביב מעריכים מדובר בשיפור מהפכני, שיאפשר בנייה של מחשבים קוונטיים ב-100 מיליון דולר במקום במיליארד דולר – ויזניק את תעשיית העתיד של מחשוב קוונטי, הצפויה לגלגל למעלה מטריליון דולר עד 2035. אבל לקופלר הפוטוני החדש ישנם שימושים נוספים.

עופר שפירא, מנכ״ל קוונטום פולס וונצ'רס, מספר על התגובה הנלהבת של אנליסטים בתחום לפתרון שמציגה החברה, וההבנה כי הפתרון הוא בעל פוטנציאל להשפעה רחבה על תעשייה המוערכת במאות מיליארדי דולרים. "החברה רק בתחילת דרכה", מציין עופר, "ואנחנו נלהבים לקראת השלב הבא במסחור הטכנולוגיה וגדילת החברה. זו לא הפעם הראשונה שאנחנו חוברים לאוניברסיטת תל אביב במסחור טכנולוגיות עם פוטנציאל משנה עולם".

"מאחר שמחשבים קוונטיים יכולים לפצח את פרוטוקול ההצפנה הנפוץ באינטרנט, ה–RSA, ללא קושי , אחת הדרכים להתגונן היא באמצעות העברת מפתח ההצפנה בתקשורת קוונטית אופטית", אומר פרופ' עוז. "גם כאן צריך לשזור קוונטית את הפוטונים, וגם כאן הקופלרים שלנו יכולים לחולל שינוי יסודי. באנלוגיה למחשוב קלאסי, שיפור השערים הקוונטיים כמוהו כשיפור הטרנזיסטורים: הוא חוסך לנו בגודל המחשבים ובעלות שלהם, ובמקביל מייעל ומשפר אותם".