מחשב קוונטי

מחשב קוונטי הוא מכונה שמעבדת מידע תוך שימוש בתכונות של מכניקת הקוונטים, כמו סופרפוזיציה (מצב בו מערכת יכולה להיות בכמה מצבים בו־זמנית) ושזירה קוונטית (קשר חזק בין יחידות מידע). במקום ביטים רגילים הוא משתמש בקיוביטים, ביטים קוונטיים שמאפשרים חישובים אחרים מאלה שבמחשב קלאסי.

המחקר החל בשנות ה‑70. ריצ'רד פיינמן הציע ב‑1981 שעל מחשב קלאסי קשה לחזות מערכות קוונטיות גדולות ביעילות, ולכן כדאי לבנות מחשב שמנצל את החוקיות הזו. ב‑1985 דייוויד דויטש הציע מודל תיאורטי למחשב קוונטי אוניברסלי, שמראה שמחשוב קוונטי אינו מפר את גבולות היסוד של החישוב אבל משנה את היעילות.

קיוביט הוא יחידת המידע הבסיסית במחשב קוונטי. הוא יכול להיות בסופרפוזיציה בין 0 ל‑1. בעת מדידה הסופרפוזיציה קורסת ומתקבל מצב אחד בלבד. זה מאפשר דרכי חישוב שונות אך גם מגביל את היכולת לשלוף מידע בסוף התהליך.

במחשב קלאסי יש שערים לוגיים. במחשב קוונטי יש שערים קוונטיים, פעולות שיוצרות התפתחות יחידה של הקיוביטים. אלה שונים בפורמט ובאופן העבודה מהמטריצות שבמודלים התאורטיים.

מחשבים קוונטיים יכולים להיות מהירים משמעותית בתרחישים מסוימים, אבל הם אינם פתרון לכל הבעיות. מבחינה תיאורטית כל בעיה שניתנת להכרעה בקוונטית ניתנת להכרעה גם בקלאסית, רק שיכולה לדרוש זמן רב יותר. לא ידוע אם קוונטי יכול לפתור בעיות NP‑שלמות בזמן פולינומי.

גרובר פיתח אלגוריתם חיפוש קוונטי שנותן שיפור ריבועי במהירות לעומת חיפוש אקראי קלאסי. למשל, עבור חיפוש במרחב גדול של מפתחות, המהירות משתפרת משמעותית אך אינה אקספוננציאלית.

שור פיתח אלגוריתם קוונטי לפירוק לגורמים. אלגוריתם זה היה סיבה לחשש שתקני הצפנה מסוימים, כמו RSA, עלולים להיפגע אם ייבנו מחשבים קוונטיים חזקים מספיק. ב‑2011 השתמשו במחשב קוונטי כדי לפרק את המספר 143. המספר הגדול ביותר שפורק עד כה במכשיר קוונטי הוא 56,153. פירוק מספרים בגודל של מפתחות מסחריים (למשל 2,048 ביט) אינו פרקטי עם הטכנולוגיה הזמינה היום.

קיוביטים עוזרים ביעילות חישובית, אך המדידה והקריסה של מצבים קוונטיים מגבילים את כמות המידע שניתן להוציא. יתר על כן, היתרון אינו אוניברסלי, הוא מותנה בבעיה ובאלגוריתם.

הוצעו אלגוריתמים קוונטיים שמתחייבים לשיפור על קלאסיים במגוון בעיות, בעיקר בחיפוש ובפירוק לגורמים.

נבנו מערכות בקנה מידה קטן. גוגל דיווחה ב‑23 באוקטובר 2019 על השגתה "עליונות קוונטית", וטענה שניתן לבצע משימה שאינו ניתן למחשב קלאסי בזמן סביר; IBM חולקת על המסקנה. ב‑22 בפברואר 2023 גוגל הודיעה על התקדמות בתיקון שגיאות, באמצעות קידוד עם יותר קיוביטים.

יש גם חברות מסחריות שנותנות גישה לשירותי מחשוב קוונטי. ד‎‑WAVE מציעה מחשבים המבוססים על quantum annealing (טכניקה שונה) ולפי החברה הם יכולים לפתור בעיות אופטימיזציה בעולם האמיתי. חברות אחרות מתמקדות בטכנולוגיות מבוססות מוליכים למחצה או פוטונים.

חברות רבות וסימולטורים מאפשרים גישה לחוקרים ולחברות כדי לבחון אלגוריתמים ולהתנסות במערכות קוונטיות.

קיימים כלי תוכנה ופלטפורמות לכתיבה והרצה של אלגוריתמים קוונטיים על סימולטורים ועל חומרה אמיתית.

באוניברסיטאות בישראל מתקיים מחקר פעיל במדע וטכנולוגיה קוונטיים. פועלות מספר חברות הזנק בתחום החומרה והתוכנה. ביוני 2024 נפתח בתל‑אביב מרכז ישראלי למחשוב קוונטי, הכולל שילוב של מחשבים קוונטיים ומחשבי‑על.

מחשב קוונטי משתמש בחוקים מוזרים של הפיזיקה כדי לחשב.

מדענים חשבו שעדיף לבנות מחשב שמנצלים את חוקי הקוונטים. זה התחיל לפני הרבה שנים.

במחשב רגיל היחידה הקטנה היא ביט. היא 0 או 1.
קיוביט הוא ביט קוונטי. הוא יכול להיות 0 ו‑1 בו‑זמנית. זה נקרא סופרפוזיציה. כאשר מודדים אותו, הוא הופך לאחד ממצבי ה‑0 או ה‑1.

שיטות להפעלת קיוביטים, כמו פעולות במחשב רגיל אך לפי חוקי הקוונטים.

יש אלגוריתם קוונטי שמחפש דברים מהר יותר. הוא לא פותר הכל, אבל במקום לבדוק כל אפשרות הוא מקצר את הדרך.

יש אלגוריתם שקורא לו שור, שיכול לעזור לפרק מספרים לגורמים. זה חשוב כי חלק מההצפנות מסתמכות על קושי כזה. כיום המחשבים הקוונטיים בכל העולם עדיין קטנים מדי בשביל לשבור את ההצפנות החזקות.

נבנו מחשבים קוונטיים קטנים וניסיוניים. ב‑2019 גוגל הכריזה על הישג חשוב. חברות כמו D‑WAVE כבר נותנות שירותים ללקוחות.

באוניברסיטאות בארץ לומדים וכותבים תוכנה וקושרים חומרה קוונטית. ביוני 2024 נפתח מרכז חדש בתל‑אביב שעוסק במחשוב קוונטי.