קצה גבול הטכנולוגיה: האם המחשבים הקוונטיים ישברו את הסוד?
מחשבי הקוונטים העתידיים יוכלו תיאורטית לשבור את שיטות ההצפנה החזקות ביותר ויאפשרו לבצע דברים הנמצאים מעבר ליכולות של מחשבי-על. האם יש סיבה לבהלה?
כיום כבר רצים חישובים קוונטיים בעשרות אם לא מאות מקומות ברחבי העולם, כולל אצל פרופ' טל מור בטכניון (בשיתוף פעולה בין הפקולטות לכימיה ולמדעי המחשב). אך אם התרגלתם למחשב של מגה-ביט (מיליון ביטים) או גיגה-ביט (מיליארד ביטים), מצפה לכם אכזבה. המחשבים הקוונטיים של היום עובדים לרוב עם שניים עד שישה ביטים, ואפילו אלופי העולם במחשוב הקוונטי הגיעו רק לארבעה עשר ביטים. ברור ומקובל על הקהילייה המדעית כיום, שאם וכאשר יקום מחשב קוונטי רב-עוצמה של קילו-ביט או מגה-ביט, זה יאפשר לנו לבצע דברים הנמצאים הרבה מעבר ליכולות של מחשבי-העל.
הדוגמה המרשימה ביותר לכך היא בתחום ההצפנה – מחשב קוונטי של מגה-ביט ישבור את שיטות ההצפנה החזקות והפופולאריות ביותר הנמצאות בשימוש כיום. אם לא יוחלפו שיטות אלו בשיטות אחרות, שעדיין אינן מוכרות כל כך ולכן עדיין לא כל-כך ברורה בטיחותן (אף כנגד מחשב רגיל או מחשב על), האנושות תאלץ לשנות את הרגלי הגלישה באינטרנט, כי ייתכן שכל סיסמה, ולו המתוחכמת ביותר, תיפרץ בטווח של שניות עד ימים - תלוי באורך הסיסמה, ובגודל המחשב הקוונטי שיתקוף אותה.
המחשבים הקוונטים יוכלו גם לשפר מודלים בפיתוח חומרים, מאחר שלכל החומרים בטבע תכונות רבות שנובעות מתורת הקוונטים. כיום, במקרים רבים, למחשב הרגיל או למחשב-העל קשה מאד או אף בלתי אפשרי לבצע אנליזה טובה של המודל המתאר את החומר ותכונותיו, אך מחשב קוונטי רב-ביטים (אולי אפילו בעל חמישים או מאה ביטים בלבד) יוכל לבצע משימה זו מהר בהרבה ממחשב העל. מעניין לציין שזו הייתה המוטיבציה של ריצ'רד פיינמן (Richard Feynman), כאשר הגה את רעיון המחשב הקוונטי לראשונה ב-1982. ייתכן גם שמחשבים קוונטיים בעלי חמישים או מאה ביטים יאיצו את יכולות התקשורת ויאפשרו לפתור תחום מסוים של בעיות תקשורת ביעילות רבה בהרבה מהמחשבים הרגילים.
בעתיד הקרוב יותר, יוכלו מחשבים קוונטיים בעלי מספר זעום של ביטים (נאמר, עשרה עד עשרים ביטים) להביא תועלת רבה בשיפור טכנולוגיות קוונטיות "קונוונציונאליות-למחצה". למשל, במשלוח ביט קוונטי למרחק של מאות ואף אלפי קילומטרים – דבר שהוא חיוני להצפנה קוונטית, שהיא כבר מסחרית למדי כיום.
מטרתו המרכזית של המחשב הקוונטי עליו אנו עובדים בטכניון היא לשפר טכנולוגיה קוונטית אחרת – טכנולוגית דימות (קבלת תמונה והרכב חומרים) של המוח במכשירי ה-MRI. שיפור האות המתקבל עשוי לעזור לרופאים, ואולי אפילו לרופא המנתח בזמן-אמת. כאן ייתכן שכבר עשרה ביטים יספיקו כדי לקבל שיפור ניכר מול הטכנולוגיה הקיימת.
מחשב רגיל מבצע פעולות חישוב באמצעות ביטים (bits = binary digits) – כלומר ספרות בינאריות (ספרות שלהן רק שתי אפשרויות, 0 ו-1), בניגוד לבני האדם שבדרך כלל מחשבים באמצעות ספרות דצימליות (0 עד 9). לעומת זאת, הביט הקוונטי, המכונה קיוביט (quantum bit = qubit) הוא דבר שקשה לרוב בני האדם לתפוש בדמיונם. אם נמדוד אותו, עדיין יש לו רק שתי אפשרויות 0 ו-1, כמו לביט הרגיל, אך בניגוד לביט הרגיל, הקיוביט יכול גם להיות במצב של סופרפוזיציה, כלומר גם 0 וגם 1. אם לדייק – הקיוביט יכול להיות באינסוף של מצבי סופרפוזיציה אפשריים, אך אנו נדון כאן רק בשניים מהם, מצב שנקרא לו "מצב פלוס" שמשמעותו 0 ועוד 1, ו"מצב מינוס" שמשמעותו 0 פחות 1.
מצבים אלו בהחלט מנוגדים לאינטואיציה, כי הרי אם אנו אומרים שלרכיב זיכרון (מינימאלי) של מחשב יש שני מצבים אפשריים - מצב שבו זורם בשבב חשמל והוא דלוק (מצב 1), ומצב שבו לא זורם בו חשמל והוא כבוי (מצב 0) - הרי שהשבב יכול להימצא רק באחד מהמצבים בכל רגע נתון, ולא בסופרפוזיציה של שניהם גם יחד. אם כך, איך אפשר לטעון ששבב מסוים יהיה גם כבוי וגם דלוק, בעת ובעונה אחת?
ואולם, אם הזרם הוא של אלקטרון בודד, העולם הקוונטי מאפשר זאת. הדבר נובע מהעובדה שכל חלקיק, כמו למשל אלקטרון, או פרוטון, או ניטרון, או פוטון (חלקיק אור), מתנהג לעיתים כמו חלקיק ולעיתים כמו גל: אם ייבחן באמצעות מכשיר מדידה אז נראה חלקיק (למשל, מכשיר המדידה יגיד "יש זרם" או "אין זרם"), אך כל עוד לא נסתכל עליו, יתנהג כמו גל, ויישאר בסופרפוזיציה של שני המצבים.
אחד הניסויים החלוציים בתחום תורת הקוונטים, ניסוי שני הסדקים, מראה תכונה נוספת של החלקיקים הקוונטיים: לא רק שחלקיק יכול להימצא בסופרפוזיציה של מצבים, למשל בשני מקומות במרחב באותו הזמן (ולעבור דרך שני הסדקים), אלא שהחלקיק יכול גם לבצע התאבכות עם עצמו וזאת, שוב, בשל מאפיינים גליים שיש לחלקיקים אלו.
התאבכות היא מה שקורה לגל בים שמתנגש בשובר גלים, עובר משני צדדיו השונים של השובר (כך ששני חלקי הגל נפגשים שוב בהמשך דרכם לחוף), או מה שקורה לגלים קטנטנים שניצור באמבטיה על-ידי הכנסה והוצאה של שתי אצבעות למים: הגלים נפגשים במקומות שונים, כך שלעיתים מגיעים יחד ויוצרים התאבכות בונה – דהיינו גל גבוה יותר, ולעיתים מגיעים במופע הפוך (גל אחד בשיא כשהשני בשפל) ומבטלים האחד את השני, כלומר יש ביניהם התאבכות הורסת.
במהלך ניסוי שני הסדקים הראו כי פוטון בודד בהכרח עבר ב-2 סדקים שונים בקיר. הוכיחו זאת בעזרת תמונת ההתאבכות שנוצרה על מכשיר המדידה (במקרה זה מדובר בלוח צילום) שממוקם אחרי שני הסדקים. תמונת ההתאבכות המתקבלת על הלוח אחרי שחוזרים על הניסוי מספר פעמים, בכל פעם עם פוטון בודד (כך שלא תיתכן התאבכות בין שני חלקיקים שונים) זהה בדיוק למה שנראה שקורה למשל לגל בים שמתנגש בשובר גלים ועובר משני צדדיו השונים של השובר.
>>> לסקרנים: המשך הסבר ארבעת מצבי הקיוביט והעמקה לתוך נבכי תורת הקוונטים
תיאורטית, המחשב הקוונטי פועל על ידי יצירה במקביל (סופרפוזיציה) של כל המסלולים האפשריים, אז אם אנו בונים למשל מחשב שמורכב מ-20 קיוביטים, המחשב יוכל לבחון 2 בחזקת 20 (כמיליון) מסלולי חישוב שונים באותו הזמן, ואילו מחשב שמורכב מ-80 קיוביטים יוכל לבחון 2 בחזקת 80 מסלולים (מיליון מיליארדי מיליארדים של מסלולים!).
זאת, בהשוואה להפעלה של מסלול אחד בכל זמן נתון, במחשב רגיל. אך אם נמדוד מוקדם מידי במהלך האלגוריתם, "יבחרו" הקיוביטים מסלול אחד בלבד, ולא נרוויח מאומה. עיקר הקושי האלגוריתמי בחישוב הקוונטי הוא לגרום להתאבכות מתוחכמת של הקיוביטים. התאבכות כזו שהורסת פתרונות לא רצויים, אך בונה פתרונות רצויים, היא ה"נשק" המאוד לא טריוויאלי שמעניק את היתרון האדיר על החישוב הרגיל, הקלאסי.
אם לשם דוגמה אנו רוצים לפרוץ אל הפנטגון, או סתם לחשבון הבנק שלכם, נוכל תיאורטית באמצעות המחשב הקוונטי לזהות בקלות את הסיסמא הרלוונטית, גם אם זה מתוך 10 בחזקת 30 (10 ואחריו 29 אפסים) סיסמאות אפשריות.
אבל אין סיבה להיבהל. כאמור, בינתיים, המחשב הקוונטי המתקדם ביותר שהצליחו לבנות הורכב מ-14 קיוביטים בלבד, מרבית החברות ומוסדות המחקר העוסקים בכך בטכניקות שונות ומשונות, נאבקים קשות ומשקיעים מיליוני דולרים כדי להגיע לארבעה או חמישה קיוביטים.
למשל, המערכת שכעת מחזיקה בשיא העולמי של ארבעה עשר קיוביטים, מערכת הנקראת "מלכודת יונים" (ion trap), היא יקרה ומסובכת, בין היתר בשל הצורך בקירור המערכת לטמפרטורות קיצוניות הקרובות לאפס המוחלט (כמינוס 273 מעלות צלזיוס). במיוחד בעייתי הצורך להחזיק את המערכת יציבה ומבודדת מהסביבה, ובו בזמן, לאפשר גישה במקום ובזמן המתאימים, כך שתהיה שליטה מדויקת ביותר בכל יון בודד בנפרד, ואף מדידה בעת הצורך.
לכן, אין צורך להיכנס לפאניקה, אך גם לא להיתפס לשאננות, כי בקצב הנוכחי של הקטנת מספר האלקטרונים הדרושים להגדרת ערכו של ביט בודד במחשב הרגיל, ייתכן שכבר בסביבות שנת 2025 יצטמצם כל ההבדל בין בניית מחשב רגיל לבניית מחשב קוונטי, ואז כבר נצטרך להיערך בהתאם להשלכות האפשריות.
>>> למתעניינים: הסבר מעמיק על סיבוכיות החישוב והקשר שלה לעולם ההצפנה
נא להמתין לטעינת התגובות
