עליונות קוונטית?
23/09/2019
ביומיים האחרונים הרשת גועשת -- חוקרים מגוגל הראו עליונות קוונטית! המחשב שלהם מסוגל לחשב בשניות מה שיקח למחשבים הכי חזקים אלפי שנים! העתיד כבר כאן! האם העתיד באמת כאן, והמכשיר של גוגל מוכן לקחת אותנו לעידן חדש של יכולות חישוביות?
"עליונות קוונטית", או בשמו היותר מקובל בקהילה -- "הוכחת קוונטיות", הוא תחום ששואל את השאלה הבאה: נניח וגוגל טוענים שיש בידם מחשב קוונטי, איך נוכל לבדוק את המכונה שלהם ולשכנע את עצמנו שהיא אכן מסוגלת לבצע חישובים יוצאי דופן? בשביל לעשות את זה אנחנו צריכים לחשוב על איזו שהיא בעיה שאנחנו מאמינים שמחשבים רגילים לא יכולים לפתור בפרק זמן סביר, אבל מחשב קוונטי יכול. אבל כזו שגם אם לא נוכל לפתור בקלות, עדיין נוכל לבדוק בקלות שהמחשב של גוגל פתר בצורה נכונה.
גם לפני מספר חודשים הרשת רחשה סביב מחשבים קוונטיים. "מדענים מIBM", צעקו הכותרות, "הצליחו להוכיח שמחשבים קוונטיים הם חזקים יותר". בתגובה כתבנו סדרת פוסטים [1] שמסבירה על עולם העליונות הקוונטית, ועל כך שהחוקרים של IBM הצליחו "רק" לתאר בעיה שאפשר להשתמש בה כדי לבחון את העליונות של המחשב הקוונטי שלהם. זה הישג בהחלט משמעותי, מה שבא להדגים עד כמה התחום הזה קשה ולא מוכר, ועד כמה כדאי להיזהר בקביעות שלנו.
באופן משונה, הדיווח על פריצת הדרך של גוגל לא הגיע על ידי פרסום רשמי, אלא בעקבות כך שנאסא העלו את המאמר לכונן ציבורי והסירו אותו מיד לאחר מכן, כך שלא נשאר על מה לבסס את הספקולציות שלנו לגבי מה שקרה אלא על בסיס הדיווחים של מי שהספיקו לראות אותו. אבל המכנה המשותף לכולם מצביע אל אותו הדבר -- גוגל הצליחו לבצע חישוב מאוד כבד בצורה יעילה. אם זה נכון, זה בהחלט הישג מרשים שמצליח להדגים לראשונה את היכולות של מחשבים קוונטיים ושם את גוגל בראש המרוץ לבניה של מחשב כזה. אבל חשוב לזכור שעדיין מדובר על חישוב מסוים, שעוצב במיוחד כדי להדגים עליונות קוונטית, ועוד במיוחד על המכונה של גוגל. יחד עם הכבוד הרב שיש לרחוש להישג כזה, חשוב לזכור שאנחנו עדיין רחוקים ממחשבים קוונטיים שמסוגלים לבצע חישובים שרירותיים, ושיש עוד מכשולים רבים בדרך למחשוב קוונטי. לצערי, העתיד עדיין לא כאן.
אז מה גוגל עשו בעצם? מהמעט שאפשר לגרד מהדיווחים, מה שהם עשו הוא "לדגום מיליון פעמים מהסתברות על 53 קיוביטים". אבל מה זה אומר, ולמה זה משמעותי?
כפי שהסברנו בפוסטים על מחשוב קוונטי [2], קיוביטים של מחשב קוונטי הם כמו ביטים של מחשב קלאסי, רק כאלו שבמקום לקבל רק ערכים דטרמיניסטיים של 1 ו 0 כמו ביטים, קיוביטים מסוגלים להכיל סופרפוזיציה בין מצבים שונים. כל מחרוזת של 53 אפסים ואחדים אפשרית, אבל גם"תערובת" שלהם. המשמעות של התערובת הזאת היא שכשנמדוד מה רשום בתוך הקיוביטים שלנו, הם יקרסו לאחת המחרוזות האלו, כשההסתברות לקרוס למחרוזת ספציפית תלויה במה שנקרא ה"אמפליטודה" שלה, שהיא בעצם מספר שאומר עד כמה המחרוזת הספציפית הזאת מיוצגת בסופרפוזיציה הנוכחית.
53 ביטים יכולים להכיל מספר עצום של מחרוזות שונות: שתיים בחזקת 53 מהן ליתר דיוק. לכל אחת מהמחרוזות האלו יש את ההסתברות לדגום דווקא אותה. אפשר לחשב שבשביל לשמור את כל ההסתברויות, ברמת דיוק מספיק גבוהה, צריך בערך 10 פטה בייט (כלומר, עשרה מיליון ג'יגה בייט) של מידע. מצד שני, בשביל לשמור את אותה כמות המידע בדיוק מחשב קוונטי צריך 53 קיוביטים ולא יותר.
"אז מה?" אפשר לשאול, "אנחנו הרי מדברים כאן על חישוב, לא על אחסון של מידע, לא?". ובכן, חשוב לזכור שכתיבה וקריאה של מידע היא בעצמה פעולה חישובית, וכשמדובר על כזו כמות היסטרית של מידע, כמות העבודה שהמחשב צריך להשקיע בכך היא מאוד גבוהה, גם אם נניח שיש לו מקום אחסון אינסופי ושפעולות הקריאה והכתיבה יעילות ביותר. עצם כך שכמות המידע הדרושה כל כך גדולה, מהווה מכשול חישובי עצום בפני מחשב קלאסי, שמחשוב קוונטי מסוגל לעקוף.
אבל זה לא כזה פשוט! בשביל שלהישג הזה תהיה משמעות, חשוב שההתפלגות הזאת, אוסף המספרים הזה, יהיה כזה שאין שום דרך לשמור בצורה יותר יעילה. לא לכל התפלגות יש את התכונה הזאת. אם, נניח, הסופרפוזיציה שלי מכילה רק מעט מחרוזות (נגיד, היא בהסתברות חצי מחרוזת שכולה אפסים, ובהסתברות חצי מחרוזת שכולה אחדים) אז מספיק לשמור רק מעט מאוד מספרים. גם אם הסופרפוזיציה מכילה את כל המחרוזות האפשריות, לא בהכרח מדובר על המון מקום. גם אם ההתפלגות שלי היא אחידה, כלומר, הסיכוי לכל מחרוזת הוא אותו הדבר, אין באמת צורך בכל המקום הזה. מספיק לשמור רק מספר אחד!
בשביל שהניסוי המתואר באמת יהווה הוכחה לקוונטיות, צריך לנהוג במשנה זהירות. קודם כל, חשוב שההסתברות שאנחנו דוגמים ממנה תהיה כזאת שאי אפשר לשמור בצורה יעילה. מעבר לזה, צריך שגוגל איכשהו יוכלו להוכיח לנו שהמכשיר שלהם באמת דגם מההסתברות הזאת. איך אפשר להשיג את שתי הדרישות האלו? אין לי מושג. האם גוגל הצליחו? מאוד יכול להיות שכן, אבל לא באמת נדע עד שלא נוכל לראות את המאמר.
בינתיים, חשוב לזכור שגם בתרחיש האופטימי ביותר, מדובר על צעד מאוד חשוב אך גם בסך הכל די קטן בדרך לדור הבא של יכולות החישוב של האנושות.
קישורים:
[2] מחשוב קוונטי - במדע גדול, בקטנה
דוקטורנט בחוג למדעי המחשב באוניברסיטה העברית. מתעניין במחשוב קוואנטי. במהלך התואר השני שלו, עסק שי בחקר לוגיקה מתמטית, בפרט, תורת המודלים.
