מחשוב קוונטי הוסבר: איך קיוביטים עובדים ולמה זה חשוב עכשיו

מחשב קלאסי מאחסן מידע בביטים שהם 0 או 1, כמו כפתור שדלוק או כבוי. מחשב קוונטי משתמש בביטים במקום זאת, שיכולים לייצג 0, 1, או שילוב משוקלל של שניהם בו-זמנית, לפי המסביר הרשמי של IBM על מחשוב קוונטי. התכונה הזאת, הנקראת סופרפוזיציה, היא אחת הסיבות שמכונות קוונטיות יכולות לחקור תשובות אפשריות רבות לבעיות מסוימות בו-זמנית ולא אחת בכל פעם.

הפיזיקה מאחורי המכשיר

IBM מזהה ארבע השפעות של מכניקת הקוונטים שמאפשרות מחשוב קוונטי: סופרפוזיציה, הסתבכות, התערבות והפסד קוהרנטיות. הסתבכות קושרת קיוביטים כך שמדידה של אחד חושפת מידע על אחר, אפילו כשהשניים נפרדים פיזיקלית. התערבות מאפשרת למעגל קוונטי להגביר תשובות נכונות ולבטל תשובות שגויות, באותו אופן שגלים חופפים יכולים להגביר או לבטל זה את זה. הפסד קוהרנטיות הוא ההשפעה ההפוכה - מצבים קוונטיים קורסים לערכים קלאסיים רגילים - והוא המכשול הראשי שמהנדסים חייבים לדכא כדי להשאיר מעבד קוונטי שימושי, לפי IBM.

ניתן לבנות קיוביטים מכמה מערכות פיזיקליות, כולל מעגלים על-מוליכים שקוררו קרוב לאפס מוחלט, יונים כלואים, נקודות קוונטיות ופוטונים. מעבדי ה-IBM הקוונטיים שלהם מסתמכים על מעגלים על-מוליכים מכיוון שניתן לייצר ולשלוט בהם באמצעות טכניקות ייצור שבבים קיימות, לפי IBM.

יתרון הניתן לאימות: שבב Willow של גוגל

ב-22 באוקטובר 2025, גוגל הודיעה שמעבד Willow בן 105 קיוביטים שלה הייצר את מה שהחברה כינתה הראשון יתרון קוונטי ניתן לאימות, תוך שימוש באלגוריתם שהוא קרא Quantum Echoes, לפי הפוסט הרשמי בבלוג של גוגל. האלגוריתם שולח אות לסט של קיוביטים, מעוות אחד מהם, ואז הופך את התפתחות האות כדי להאזין להד מוגבר שנוצר על ידי התערבות בונה.

גוגל דיווחה ש-Quantum Echoes רצה 13,000 פעמים מהר יותר ב-Willow מאשר האלגוריתם הקלאסי הידוע ביותר הפועל על אחד מה-supercomputers המהירים ביותר בעולם. החברה הדגישה כי בניגוד לטענת הגבהות הקוונטית של 2019, תוצאה זו 'ניתנת לאימות' - היא יכולה להיות חזרה על חומרה קוונטית השווה ולחצות בדיקה, ולא הסתמכות על משימת דגימה ללא דרך עצמאית לאישור הפלט.

בשיתוף פעולה עם חוקרים באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, גוגל השתמשה באלגוריתם כדי ללמוד אותות תהודה מגנטית גרעינית (NMR) ממולקולות המכילות 15 ו-28 אטומים, המפנות לשימושים אפשריים בעתיד בגילוי תרופות, חומרי סוללה והעיצוב של קיוביטים חדשים, לפי אותו הודעה של גוגל.

הנתיב של IBM מ'שימושיות' לסיבולת תקלות

IBM מבדילה בין כמה שלבים של התקדמות. החברה אומרת שהיא הגיעה ל'שימושיות קוונטית' ב-2023, כלומר מעבדיה הקוונטיים יכלו להתגבר על שיטות קירוב קלאסיות בבעיות ספציפיות. IBM אמרה שהיא צופה להגיע ל'יתרון קוונטי' - התגברות על כל השיטות הקלאסיות הידועות בבעיה מעשית - עד סוף 2026, לפי סקירת מחשוב קוונטי שלה של IBM.

מעבר לזה, IBM פרסמה מפת דרכים לעבר מחשוב קוונטי עם סיבולת תקלות, כאשר שגיאות מתגלות ומתוקנות לפני שהן משחתות חישוב. מפת הדרכים מתארת שבב בשם Quantum Loon שוחרר ב-2025 עם קישוריות קיוביט משופרת לניסויי הוכחת קונספט לכיוון קודי qLDPC בעלי קצב גבוה, מודול בשם Quantum Kookaburra תוכנן ל-2026 שאחסן מידע באמצעות זיכרון בדיקת זוגיות צפיפות נמוכה קוונטית (qLDPC), ומערכת בשם Starling שמכוונת ל-2029 שIBM אומרת צריכה להפעיל 100 מיליון שערים קוונטיים על 200 קיוביטים לוגיים. שיטת תיקון השגיאות של IBM משתמשת במה שהיא קוראת 'קודים אופניים דו-משתנים', כולל קוד [[144,12,12]] ברוטו' שהחברה אומרת שהוא צריך בערך עשרה פעמים קיוביטים פיזיים פחות מאשר שיטות קוד משטח קודמות כדי להשיג את אותה הגנה מפני שגיאות.

למה הצפנה כבר נכתבת מחדש

מחשבים קוונטיים חשובים מחוץ לרוב מכיוון שאלגוריתם Shor, שיטה מתמטית שפרסם Peter Shor ב-1994 המראה כי מחשב קוונטי חזק מספיק יכול לחלק מספרים גדולים - וכך שבור הצפנה בסגנון RSA בשימוש נרחב - הרבה יותר מהר מאשר כל מחשב קלאסי, כפי שהערות IBM.

סיכון זה אינו היפותטי לגופי תקנים. ב-13 באוגוסט 2024, המוסד הלאומי לתקנים וטכנולוגיה של ארה'ב (NIST) סיים את שלוש סטנדרטי ההצפנה לאחר-קוונטום הראשונים שלו: FIPS 203 (ML-KEM) להצפנה כללית, ו-FIPS 204 (ML-DSA) ו-FIPS 205 (SLH-DSA) לחתימות דיגיטליות, לפי ההודעה הרשמית של NIST. מתמטיקאי NIST Dustin Moody אמר שארגונים צריכים 'להתחיל להשלבם למערכות שלהם מיד, כי השילוב המלא ייקח זמן.'.

מה מחשבים קוונטיים לא

חומרי IBM מדגישים שמחשבים קוונטיים אינם פשוט גרסאות מהירות יותר של מחשבים רגילים; הם מתאימים לסוגים ספציפיים של בעיות - כמו הדמיית מולקולות, תגובות כימיות וכמה משימות אופטימיזציה או למידת מכונה - כאשר מספר המשתנים המתקשרים גדל יותר מדי כדי שמחשבים קלאסיים יוכלו לעקוב אחריהם בחוזקה. לבעיות יומיומיות כמו עיבוד מילים או דפדוף ברשת, מחשבים קלאסיים נותרים הרבה יותר מעשיים.