מבוא לחישוב קוונטי
מטרות הלמידה
בסיום המודול הזה, תבינו טוב יותר:
- את המקרה העסקי לחישוב קוונטי
- אבני דרך ופריצות דרך בחישוב קוונטי לאורך הזמן
דרך חדשה לטפל בבעיות מורכבות
מחשבים קוונטיים, שהיו פעם ניסויי מעבדה ענקיים, הם כיום משאבי מחשוב מבוססי ענן הזמינים מסחרית ומס וגלים לבצע חישובים שאי אפשר לדמות במדויק על מחשבים קלאסיים. ארגונים רבים בוחנים יותר ויותר כיצד חישוב קוונטי עשוי להשפיע על ענף שלהם. הדרכה זו תציג לכם את החישוב הקוונטי ואת הערך העסקי הפוטנציאלי שלו. בנוסף, ההדרכה תצייד אתכם לענות על שאלות כשתתחילו את המסע הקוונטי שלכם. IBM Quantum® מציעה משאבים רבים שיעזרו לכם להתחיל ללמוד על חישוב קוונטי, ללא קשר לתפקידכם בארגון.
אילו בעיות יכול החישוב הקוונטי לפתור?
חישוב קוונטי מנצל את חוקי מכניקת הקוונטים כדי לפתור בעיות מתמטיות מורכבות. כשמדענים ומהנדסים נתקלים בבעיות קשות, הם פונים בדרך כלל לסופר-מחשבים — מחשבים קלאסיים גדולים עם אלפי יחידות עיבוד מרכזיות (CPUs) ויחידות עיבוד גרפיות (GPUs). אולם, בעוד שסופר-מחשבים קלאסיים טובים מאוד בפתרון סוגים מסוימים של בעיות, הם מתקשים לפתור בעיות עם משתנים רבים שמקיימים אינטראקציה ביניהם בדרכים מורכבות. טכנולוגיה קוונטית עשויה לעזור לנו לעבור מעבר למחסומי המורכבות הללו ולטפל בבעיות חשובות בתעשיות ברחבי העולם.
נתחיל בצפייה בסרטון על סוגי הבעיות שמחשבים קוונטיים עשויים לפתור, שמוצג על ידי Katie Pizzolato, מנהלת תורת IBM Quantum ומדעי המחשוב ב-IBM Quantum.
כמה תחומים הנחשבים מבטיחים במיוחד ליישומי חישוב קוונטי כוללים:
- סימולציה - סימולציה של מערכות פיזיות או כימיות שכבר קוונטיות מטבען.
- אופטימיזציה - מציאת פתרונות אופטימליים לבעיות מורכבות, המנוסחות לרוב כבעיות מינימיזציה.
- נתונים עם מבנה מורכב - שימוש בחישוב קוונטי לחקור מודלים חדשים בלמידת מכונה ומדעי הנתונים.
המקרה העסקי לחישוב קוונטי
אף שחישוב קוונטי לא יחליף מחשבים רגילים, הוא מייצג פרדיגמת מחשוב חדשה. דוח עדכני של מכון IBM® לערך עסקי, The Quantum Decade, מפרט את הגורמים המרכזיים לדור הבא של המחשוב. שקלו את ההיבטים הבאים בעת הערכת הקוונטי לעסק שלכם:
עדיפויות גלובליות – כשענפים שלמים מתמודדים עם אי-ודאות גוברת, מודלים עסקיים הופכ ים רגישים יותר ותלויים יותר בטכנולוגיות חדשות.
עתיד המחשוב – שילוב החישוב הקוונטי, הבינה המלאכותית והמחשוב הקלאסי בתהליכי עבודה היברידיים רב-ענניים יניע את מהפכת המחשוב המשמעותית ביותר ב-60 השנה האחרונות.
הארגון המונע על ידי גילוי – ארגונים יתפתחו מניתוח נתונים לגילוי דרכים חדשות לפתרון בעיות.
לחץ גובר לפתור בעיות אקספוננציאליות – דוגמאות כוללות גילוי חומרים חדשים, פיתוח תרופות להתמודדות עם מחלות מתפשטות ועיצוב מחדש של שרשראות אספקה לצורך חוסן.
טכנולוגיה קוונטית בנקודת מפנה – עם שיפור מהיר בחומרה ובקיוביטים, חשוב מתמיד שמומחי תחום ישתתפו בגילוי אלגוריתמים. Circuits יגדלו באיכות, בקיבולת ובמגוון ככל שיצוצו אלגוריתמים חדשים.
הרחבת המערכת האקולוגית הקוונטית – חדשנות פתוחה מטפחת למידה שיתופית. אנשי מקצוע ומדענים חייבים להתאמן ביישום חישוב קוונטי על בעיות מהעולם האמיתי, בעוד פיזיקאים ומהנדסים יכולים ליצור חומרה ותוכנה מבוססות על מומחיות ספציפית לתחום.
בדקו את ההבנה שלכם
קראו את השאל ה למטה, חשבו על התשובה שלכם ולחצו על המשולש כדי לחשוף את הפתרון.
נכון או לא נכון: מחשבים קוונטיים יחליפו מחשבים קלאסיים בעתיד.
לא נכון. מחשבים קוונטיים ביחד עם מחשבים קלאסיים עשויים בקרוב לעלות על השימוש במחשבים קלאסיים לבדם במשימה משמעותית. שילוב החישוב הקוונטי, הבינה המלאכותית והמחשוב הקלאסי בתהליכי עבודה היברידיים רב-ענניים יניע את מהפכת המחשוב המשמעותית ביותר. אנו מכנים חזון זה של חיבור קוונטי וקלאסי — סופר-מחשוב ממורכז-קוונטי.
תצלום של מודל IBM Quantum System One, כפי שהותקן בשין-קוואסאקי עבור אוניברסיטת טוקיו. (קרדיט: Satoshi Kawase עבור IBM)
מחלקות בעיות פוטנציאליות לחישוב קוונטי
למידע נוסף על מחלקות המורכבות החישובית שVictoria הציגה בסרטון למעלה, עיינו במאמר הזה. שם תלמדו עוד על רשימה תיאורטית של הבעיות שמחשב קוונטי יכול לפתור בקלות — הנקראת BQP — זמן פולינומי קוונטי עם שגיאה מוגבלת.
הדרך ממדע למערכות
מה שהופך את החישוב הקוונטי למדהים הוא יכולתו לפתור בעיות בלתי פתירות של היום, ובסופו של דבר לספק ערך עסקי. חישוב קוונטי יכול לחקור בעיות אלו כיוון שהוא מבוסס על מכניקת הקוונטים, שהיא ההסבר העמוק ביותר לממשות הזמין. חישוב קוונטי מנצל תופעות מכניקת קוונטים לעיבוד מידע.
בעוד שחלק עשויים לראות בחישוב קוונטי תחום חדשני בתחילת מחזור חייו, המציאות היא שהתיאוריה העומדת בבסיס החישוב הקוונטי מתפתחת לפחות מאז שנות ה-70. חשוב להכיר כמה מאבני הדרך ופריצות הדרך המרכזיות לאורך זמן, שכן מה שנמדד בעבר בסנטימטרים של התקדמות עבר מהר מאוד ממדע למערכות.
| 1970 | Charles H. Bennett אולי היה האדם הראשון שכתב את הביטוי "תורת המידע הקוונטי" ב-24 בפברואר 1970, בעת עבודתו כמדען מחקר ב-IBM. הערתו היוותה סימן מבשר לעבודה האדירה של רבים אחרים שתבוא אחריה, ואשר הובילה את העולם אל הדרך לעבר יתרון קוונטי. |
| 1981 | Richard Feynman, פיזיקאי תיאורטי ידוע, זיהה את הפוטנציאל של מחשבים קוונטיים כבר ב-1981. בכנס הראשון לפיזיקה של חישוב, שאורגן על ידי IBM ומכון הטכנולוגיה של מסצ'וסטס (MIT), הוא סגר את נאום המפתח שלו בצורה מפורסמת עם המשפט "[...] הטבע אינו קלאסי, לעזאזל, ואם אתם רוצים לדמות את הטבע, עליכם להפוך אותו למכני קוונטי, ובאלוהים חי זו בעיה נפלאה, כי היא לא נראית כל כך קלה." [1] |
| 1994 | ב-1994, Peter Shor, מתמטיקאי שהיה אז ב-AT&T Bell Labs בניו ג'רזי, הוכיח שמחשב קוונטי פונקציונלי לחלוטין יכול לעשות משהו יוצא דופן: לפצח הצפנת RSA, אמצעי פופולרי לאבטחת תקשורת פרטית. הוא הראה שהאלגוריתם הקוונטי שלו יכול לעשות תוך דקות מה שעשוי לקחת למחשב רגיל כל חיי היקום לפתור. 2 |
| 1996 | שנה לאחר מכן, Lov Grover, גם הוא מדען Bell Labs, הגה אלגוריתם קוונטי שיאפשר לאנשים לחפש במהירות במסדי נתונים לא מובנים. מדענים נהרו לתחום, ועדכונים בחומרה בקרוב עקבו אחרי פריצות הדרך בקוד. [2] |
| 1998 | ההדגמה הניסויית הראשונה של אלגוריתם קוונטי הושגה ב-1998. מחשב קוונטי בעל 2 Qubit עובד המבוסס על תהודה מגנטית גרעינית (NMR) שימש לפתרון בע יית Deutsch על ידי Jonathan A. Jones ו-Michele Mosca באוניברסיטת אוקספורד ומיד לאחר מכן על ידי Isaac L. Chuang במרכז המחקר Almaden של IBM ו-Mark Kubinec מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, יחד עם עמיתים מאוניברסיטת סטנפורד ו-MIT. [3] |
| 2001 | שנת 2001 ראתה את ביצוע האלגוריתם של Shor לראשונה במרכז המחקר Almaden של IBM ובאוניברסיטת סטנפורד. המספר 15 פורק לגורמים תוך שימוש ב-1018 מולקולות זהות, כל אחת מכילה שבעה ספינים גרעיניים פעילים. [4] |
| 2005 | באמצע שנות ה-2000, שדה המחקר פיתח מספר סוגים של Qubit מוליכים-למחצה, כל אחד עם יתרונותיו וחסרונותיו. ב-2007, צוות מיל בחן דרך לשלב חלק מגישות אלה כדי להתגבר על חסרונותיהן האישיים, וכינה את העיצוב החדש "ה-Qubit transmon." ה-Qubit transmon המשיך להיות בלב מאמציהן של חברות רבות לפתח מחשבים קוונטיים, כולל IBM Quantum, Google AI ו-Rigetti Computing. חבר בצוות יל, Jay Gambetta, מאוחר יותר הפך לסגן נשיא לחישוב קוונטי במחקר IBM. |
פריסה של מחשב הקוונטי הסופר-מוליך של IBM בן ארבעה Qubit שהוכרז ב-2015. (קרדיט: IBM Research)
| 2016 | במאי 2016, IBM הייתה החברה הראשונה שהש יקה שירות חישוב קוונטי בענן שכלל מחשבים קוונטיים אמיתיים, שנקרא IBM Quantum Experience. [5] |
IBM Quantum Composer על טאבלט ב-IBM Research (קרדיט: Connie Zhou עבור IBM)
| 2017 | במרץ 2017, IBM שחררה את Qiskit, מסגרת תכנות קוונטית בקוד פתוח. [6] בדצמבר 2017, רשת IBM Quantum הושקה כדי לבסס מערכת אקולוגית מסחרית לחישוב קוונטי. |
| 2019 | IBM פתחה את מרכז חישוב הקוונטי בניו יורק, והשיקה לרשת את צי המחשבים הקוונטיים הגדול בעולם. |
מרכז הנתונים של IBM Quantum בפוקיפסי, ניו יורק. (קרדיט: James O'Connor, IBM)
| 2020 | בספטמבר 2020, IBM פרסמה מפת דרכים לפיתוח שמתארת את המעבר ממחשבים קוונטיים רועשים וקטנים של אותה תקופה למחשבים קוונטיים בעלי מיליון Qubit ויותר בעתיד. מפת הדרכים קובעת את המסלול להגעה לאבן דרך של מחשב קוונטי בעל 1,121 Qubit בשנת 2023, 1,386+ Qubit ב-2024, ומעל 4,000 Qubit ב-2025. |
| 2021 | באביב 2021, IBM הכריזה על שחרור Qiskit Runtime, סביבת ביצוע מכולאית לתוכניות קוונטיות-קלאסיות שביטלה כמה מהצווארי הבקבוק הגדולים ביותר לביצועי עומסי עבודה. [7] בנובמבר 2021, IBM השיגה אבן דרך מרכזית בחישוב הקוונטי כשהיא שברה את מחסום המעבד של 100 Qubit עם Eagle, מעבד קוונטי בעל 127 Qubit. [9] |
| 2022 | באפריל 2022, IBM השיקה פרימיטיבים של Qiskit Runtime, שהפשיטו את חווית המפתח ואפשרו למשתמשים לקבל תוצאות משמעותיות יותר ממחשבים קוונטיים. [10] במאי 2022, IBM פרסמה מפת דרכים מעודכנת המצפה לעידן מתקרב של סופר-מחשוב ממורכז-קוונטי שבו מודולריות וטכניקות תקשורת מגוונות יגדילו את קיבולת החישוב. [11] בנובמבר 2022, IBM הציגה את מעבד IBM Quantum Osprey בעל 433 Qubit — הגדול עד כה שמשתמש ב-Qubit מוליכים-למחצה. [12] באותו חודש, IBM גם השיקה Circuit דינמיים — Circuit חישוביים שמשתמשים במשאבים קוונטיים וקלאסיים כדי לאפשר מדידות באמצע-Circuit ופעולות הזנה-קדימה [13] — והכריזה על אפשרויות רמת חוסן חדשות לפרימיטיבים של Qiskit Runtime המאפשרות למשתמשים להתנסות עם כלי דיכוי ומיתון שגיאות. [14] IBM נוקטת צעדים לקראת מימוש סופר-מחשוב ממורכז-קוונטי על ידי שחרור middleware מתקדם כולל Circuit Knitting Toolbox, ב-2025. |
הוצג ב-2022 בפסגת IBM Quantum, מעבד IBM Quantum Osprey מתהדר ב-433 Qubit. (קרדיט: Connie Zhou עבור IBM)
| 2023 | Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance הוא מאמר שהופיע על עטיפת Nature ביוני 2023, שיתוף פעולה בין IBM לאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי. סימולציות פיזיקליות מורכבות בוצעו על ידי מדענים עם IBM Quantum על מעבד IBM Quantum Eagle בעל 127 Qubit. הסימולציות הורצו בו-זמנית באמצעות שיטות קירוב קלאסיות מתקדמות על סופר-מחשבים במעבדה הלאומית Lawrence Berkeley ובאוניברסיטת פרדו. Eagle השיב תשובות מדויקות יותר מאשר שיטות הקירוב הקלאסיות, אפילו בתחום מעבר לקיבולת של שיטות כוח-הגס. |
כתבת שער Nature על שימושיות קוונטית שפורסמה ב-14 ביוני 2023
| 2023 | ב-2023, IBM הכריזה על שבב Heron שלנו, בשם קוד montecarlo. עם 133 Qubit בתחילה ועדכון ל-156 Qubit ב-2024, Heron משלב ארכיטקטורת מצמד כוונן חדשה. Heron מציג שיפורים משמעותיים לעומת מעבד Eagle הטוב ביותר, עם חצי שיעור שגיאת Gate, כמעט אפס קרוסטוק, וזמן Gate משופר משמעותית. Heron מנצל חדשנות משמעותית בהעברת אותות שנוצלה בעבר ב-Osprey. האותות הנדרשים לאפשר שליטה מהירה ובדיוק גבוה של שני Qubit ושל Qubit בודד מועברים עם כבל גמיש בצפיפות גבוהה. |
הוצג ב-2023 בפסגת IBM Quantum, מעבד IBM Quantum Heron מציג שיפורים משמעותיים לעומת מעבדי Eagle.
לא קל לחזות מתי בדיוק החישוב הקוונטי יוכל לעלות על השיטות הנהוגות היום. ואולם, כדי להוביל בעידן המתקרב של החישוב הקוונטי ולהתמודד עם בעיות מורכבות, עסקים וארגוני מחקר חייבים להתחיל להתכונן עכשיו. בשל עקומת הלמידה התלולה, התחלה מוקדמת בלמידה וניסוי יכולה להוכיח יתרון תחרותי. מוכנות לחישוב קוונטי היא מצב המתפתח ברצף, שתלוי בגישתו של הארגון לחדשנות ובהשקעה בה, כמו גם בכישרונות ומיומנויות חדשות ובבגרות דיגיטלית כוללת. המוכנות כוללת אימוץ טכנולוגיות מאפשרות כמו אוטומציה, בינה מלאכותית וענן היברידי-רב; נכונות לנתח, להתנסות ולחזור על תהליכים עם יכולות מחשוב מתרחבות; תחכום של תהליכי עבודה; ומכלול מיומנויות ארגוני.
בדקו את ההבנה שלכם
קראו את השאלה למטה, חשבו על התשובה שלכם ולחצו על המשולש כדי לחשוף את הפתרון.
נכון או לא נכון: החישוב הקוונטי נוסח לראשונה בשנות ה-90.
לא נכון. בעוד שמחשב הקוונטי הניסויי הראשון נוצר ב-1998, הפוטנציאל לחישוב קוונטי זוהה על ידי Richard Feynman כבר ב-1981.
נקודות מפתח
ניתן לשמור בראש את נקודות המפתח הבאות:
- חישוב קוונטי מייצג פרדיגמת מחשוב חדשה שיכולה לפעול בשיתוף עם מחשבים רגילים.
- הוא יאפשר לנו להבין את עולמנו אחרת ולפתור כמה בעיות שהיו בלתי פתירות בעבר.
- בעוד שחישוב קוונטי עדיין אינו יכול לעלות על השיטות הנהוגות היום, ארגונים יכולים לנקוט צעדים כבר היום כדי להתכונן לשינוי היסודי הזה במחשוב.
מקורות
[1] Richard P. Feynman, "Simulating Physics with Computers," International Journal of Theoretical Physics 21, nos. 6–7 (1982): 467–488.
[2] Robert Hackett, "Business Bets on a Quantum Leap," Fortune, May 21, 2019.
[3] Isaac L. Chuang, Neil Gershenfeld, and Mark Kubinec, "Experimental Implementation of Fast Quantum Searching," Physical Review Letters 80, no. 15 (1998): 3408–3411.
[4] Lieven M. K. Vandersypen et al., "Experimental Realization of Shor's Quantum Factoring Algorithm Using Nuclear Magnetic Resonance," NATURE 414 (2001): 883–887.
[5] qiskit log, GitHub repository.
[6] Jay Gambetta, "IBM's Roadmap for Scaling Quantum Technology," IBM Research Blog, September 15, 2020.
[7] Ismael Faro and Blake Johnson, "IBM Quantum Delivers 120x Speedup of Quantum Workloads with Qiskit Runtime," IBM Research Blog, May 11, 2021.
[8] Matthew Treinish, Ali Javadi-Abhari, and Stefan Wörner, "New Qiskit Design: Introducing Qiskit Application Modules," IBM Research Blog, April 6, 2021.
[9] Jerry Chow, Oliver Dial, and Jay Gambetta, "IBM Quantum Breaks the 100-Qubit Processor Barrier," IBM Research Blog, November 16, 2021.
[10] Blake Johnson and Gilah Ben-Shach, "Qiskit Runtime Primitives Make Algorithm Development Easier Than Ever," IBM Research Blog, April 12, 2022.
[11] Jay Gambetta, "Expanding the IBM Quantum Roadmap to Anticipate the Future of Quantum-centric Supercomputing," IBM Research Blog, May 10, 2022.
[12] Jay Gambetta, "Quantum-centric Supercomputing: The Next Wave of Computing," IBM Research Blog, November 9, 2022.
[13] Blake Johnson, "Bringing the Full Power of Dynamic Circuits to Qiskit Runtime," IBM Research Blog, November 9, 2022.
[14] Blake Johnson, Tushar Mittal, and Jeannette Garcia, "Introducing New Qiskit Runtime Capabilities — and How Our Clients Are Integrating Them into Their Use Cases," IBM Research Blog, November 9, 2022.