המחשב שיוכל לפרוץ כל הצפנה: מכניקת הקוואנטים בשירות הטכנולוגיה

"אנחנו צריכים לשנות מהיסוד את האינטואיציה שלנו לגבי מהם מחשבים, איך הם עובדים ומה הם מסוגלים לעשות, ולהתחיל לחשוב על מחשוב בכלל בדרכים שונות לחלוטין", אומר ל"כלכליסט" ד"ר ג'יי גמבטה, ראש חטיבת המחקר של מחשוב קוואנטי ב־IBM. בתחילת החודש השיקה IBM - מהחברות המובילות בעולם במחקר מחשוב קוואנטי - שירות מהפכני בשם Quantum Experience שמעניק למפתחים, אקדמאים ומתכנתים גישה מבלתי מוגבלת ובחינם למחשב הקוואנטי של החברה דרך הענן.

"במחשוב ובמתמטיקה קיימות בעיות שמחשבים קלאסיים פשוט לא מסוגלים לפתור, אבל מחשב קוואנטי מאפשר לפתור אותן בשניות", מסביר גמבטה. "זה לא כי מחשב קוואנטי מהיר יותר, אלא כי הוא הופך את הבעיה לפשוטה יותר משום שהוא עובד בדרך שונה של חישובים". הבדל פשוט יחסית להבנה בין מחשב קלאסי ומוכר לבין מחשב קוואנטי הוא יכולתו של האחרון להיות בסופר־פוזיציה: בעוד יחידת החישוב הבסיסית במחשב רגיל, הביט (bit), מסוגלת להכיל 0 או 1, יחידת החישוב של מחשב קוואנטי, המכונה קיוביט (Qubit), מסוגלת להכיל 0 או 1 או את שני המצבים בו־זמנית.

מדען בוחן את אמצעי הקירור של מחשב קוואנטי. סופר־פוזיציה | צילום: יבמ

עבור רבים בתעשיית המחשוב נחשבים מחשבים קוואנטיים לגביע הקדוש: מחשבי־על סופר־משוכללים שיוכלו לפרוץ לכל אבטחה קיימת במהירות המחשבה, לפתור כל בעיה חישובית קיימת בתוך שניות וליצור בינה מלאכותית שתתעלה מעל בני האדם.

כיום קיימים מחשבים קוואנטיים בודדים ברחבי העולם. מחירם נאמד במיליוני דולרים והם זמינים רק עבור חברות הענק דוגמת גוגל. IBM, שמייצרת ומוכרת מחשבי־על, רוצה שהעולם יתחיל לחשוב יותר ויותר בקוואנטום. לדעת גמבטה, הדרך היחידה לעשות זאת היא לתת לעולם את הגישה לכלים המתאימים. מסיבה זו IBM עובדת עם אוניברסיטאות ומכוני מחקר בכל העולם כדי לפתח את הדור הבא של האלגוריתמים, שפות התכנות ומערכות ההפעלה למחשבים קוואנטיים. לכן היא גם מציעה כעת את שירותי מחשב הקוואנטום שלה לשימוש בחינם דרך הרשת.

"קשה לחשוב בצורה קוואנטית", מודה גמבטה. "מכניקת הקוואנטים (שעליה מבוססת שיטת המחשוב הקוואנטי - ה"ע) לא אינטואיטיבית והולכת נגד אלגברה בסיסית, לוגיקה ופיזיקה קלאסית. כדי לעבוד עם מחשבי קוואנטום צריך גישה למעבדה עם ציוד יקר. אנחנו חייבים לשנות את זה אם אנחנו רוצים להתקדם".

ראש חטיבת המחקר של מחשוב קוואנטי ב־IBM ד"ר ג'יי גמבטה. "קשה לחשוב בצורה קוואנטית"

עם זאת, למרות האמונה הרבה שלו במחשוב קוואנטי, גמבטה מקפיד להיות מסויג לגבי השימושים העתידיים של הטכנולוגיה וההיבטים המסחריים שלה: "השאלה היא איך אנחנו לוקחים את הכוח הזה ועושים איתו משהו שימושי ומסחרי. היום אין לנו תשובה מצוינת, אבל הקהילה חושבת על שימושים מעניינים, וזו בדיוק הסיבה שהפכנו את המחשב שלנו לנגיש לכולם".

מניתוח גנים ועד המצאת חומרים חדשים

אם את עקרון הסופר־פוזיציה של יחידת החישוב הבסיסית עוד יחסית קל להבין, מכאן הדברים רק הולכים ונעשים מסובכים יותר: ככל שיש יותר קיוביטים, כלומר יותר ויותר יחידות חישוב, הם מסוגלים להיות בסופר־פוזיציה זה עם זה - כלומר הם מגדילים את מספר כמות המצבים האפשריים בצורה מעריכית. התוצאה אינה דווקא מחשב מהיר יותר ממחשב קלאסי רגיל, מסביר גמבטה, אלא פשוט מחשב שונה, שיש לו יתרונות אך גם חסרונות.

לדברי גמבטה, כבר בתוך עשור ייוצרו מחשבי קוואנטים שיוכלו להתמודד עם בעיות סבוכות שמחשבים רגילים לא בנויים להן. התוצאה תהיה ניתוח מהיר של גנים, פיתוח תרופות חדשות באמצעות חישוב פשוט של תגובות המולקולות, ופיתוח חומרים חדשים ומתקדמים באמצעות הרצת מודולים של כימיה קוואנטית.

כבר היום, טוען גמבטה, מחשבים קוואנטיים מספקים יתרונות חשובים על פני מחשבים קלאסיים בתחומים אלו. כך, למשל, גוגל מפתחת את האפשרות להשתמש במחשבים מסוג זה כדי לנתח במהירות אלפי משתנים בדרך להשגת תוצאות חיפוש, הקשרים סמנטיים ואפשרויות להשלמת טקסט. נאס"א, מצדה, בוחנת את האפשרות להשתמש במחשבים אלו כדי לנבור בהררי המידע שנאספים מטלסקופים בניסיון למצוא אותות חיים.

שימוש עתידי נוסף הוא לפיתוח בינה מלאכותית אמיתית, תחום שבו חברות ענק דוגמת פייסבוק, גוגל, אפל, מיקרוסופט וגם IBM עצמה משקיעות מיליארדי דולרים מדי שנה. "חוקרים נעזרים במחשוב קוואנטי כדי להאיץ חלק מהחישובים של אלוגריתמים של למידת מכונה, ניתוח תבניות ורשתות עצביות", מסביר גמבטה. "זה נראה מבטיח, אם כי מוקדם להגיד בביטחון שזה העתיד של AI".

גדולים ומורכבים מכדי להגיע לבית

אבל רבים בעולם מודאגים דווקא מיכולות אחרות של מחשוב קוואנטי, דוגמת היכולת שלו להריץ אלגוריתמים מורכבים ובכך לפרק לגורמים בעיות סבוכות בקריפטולוגיה. משמעות היכולת הזו היא פריצה זריזה בתוך דקות בודדות של אמצעי ההצפנה הצבאית המתקדמים ביותר, אשר מסתמכים על מפתחות הצפנה סבוכים שדורשים ממחשבי־על מסורתיים מיליארדי שנים של חישובים לבחינת כל האפשרויות. מחשב קוואנטי פשוט יוכל לפרק את המצבים השונים למספר קטן של יחידות חישוב מסוג קיוביט בדרך לפתרון.

מחשבי הקוואנטום הנוכחיים עדיין לא מסוגלים לבצע את החישוב המורכב הזה. מחשב הקוואנטום המתקדם ביותר בעולם כיום מחזיק באלף יכולות חישוב בלבד, ומסוגל לחבר רק עד 6 קיוביטים במקביל בסופר־פוזיציה. פיתוח מחשב קוואנטום אוניברסלי אמיתי, שיוכל לפרוץ אבטחה ברמת הצפנה של 2048 ביט שהופכת לסטנרד האבטחה הנוכחי, יארך לכל הפחות 20 שנה. מחשב מסוג זה יידרש ללפחות 100 אלף יחידות חישוב מסוג קיוביט. אלא שתקני אבטחה פשוטים יותר יעמדו בפני סכנת פריצה כבר בתוך עשור, מזהיר גמבטה, וממליץ לתעשייה להתחיל להסב תשומת לב לבעיה הצפויה.

הדרך לפיתוח מחשב קוואנטי בן מאות אלפי קיוביט עדיין ארוכה ודורשת פתרון בעיות סבוכות הכרוכות בחומרת המערכת. מחשבי קוואנטום נדרשים לעבוד בטמפרטורה קיצונית של 273– מעלות צלזיוס (צמוד לאפס המוחלט), ואפילו פעולת החישוב הפשוטה ביותר יוצרת חום שמספיק לגרום לשגיאות במערכת. הרצת אלגוריתמים לאיתור ותיקון השגיאות יוצרת חום נוסף, ובסופו של יום עשוי המחשב להשקיע כ־99% מכוח העיבוד שלו בתיקון שגיאות.

בעיה זו וגודלם העצום של המחשבים הקוואנטיים צפויים למנוע מהם להגיע למשתמשים הביתיים. אבל גמבטה מקווה שבאמצעות פתיחת המחשב של IBM לשימוש חינמי דרך הענן יוכלו מפתחים לקבל גישה לכוח העיבוד המתקדם של מחשבים אלו. בשנתיים האחרונות פיתחה החברה טכניקות חדשות ליצירת שבבים קוואנטיים שצפויים להקל ולהפחית דרמטית את עלות הייצור. בינתיים, מבטיח גמבטה, החברה תמשיך לשדרג את המחשב הציבורי שלה.