המחשוב הקוונטי היא טכנולוגיה שעשויה לשנות את פני העולם כפי שאנו מכירים אותו ולחולל מהפכה כמעט בכל תחום בחיינו: מדובר במחשבים המסוגלים לבצע חישובים ששום מחשב קיים לא מסוגל לבצע כיום, ולפתור בעיות מורכבות תוך שניות בודדות.
ההבטחה, והסיכון שבצידה, עצומים, אבל אחד האתגרים הגדולים ביותר בבניית המחשבים הללו הוא רגישותם הגבוהה ל"רעשים" ולטעויות. מחקר חדש שפורסם לאחרונה על-ידי 18 חוקרים מהאקדמיה למדעי המידע הקוונטי של בייג'ינג וממוסדות סיניים אחרים במגזין המדעי Nature Communications, חושף סיבה מרכזית אחת לשיבושים: קרינה קוסמית.
האיום הקוסמי
לפי המחקר, קרניים קוסמיות וקרני גמא מהחלל וגם מכדור הארץ עצמו פוגעות ב"קיוביטים" – אבני הבניין של המחשבים הקוונטיים, שהופכות אותם לעוצמתיים כל-כך – ומאיימות על היכולת שלהם לעבוד בצורה יציבה ואמינה. קרני גמא הם פרצי אנרגיה חזקים, שמקורם לעיתים קרובות בהליך רדיואקטיבי על כדור הארץ, או באירועים קוסמיים אלימים בחלל.
מהו "קיוביט"? - אם מחשב רגיל משתמש ב"ביטים" וכמו מתג אור הוא יכול להיות או דלוק או כבוי, "קיוביט" במחשב קוונטי הוא כמו דימר: הוא יכול להיות גם דלוק וגם כבוי בבת אחת. לכן מחשב קוונטי יכול לחקור אפשרויות רבות בו זמנית, במקום לבדוק אותן אחת אחת כמו מחשב רגיל.
החוקרים השתמשו לצורך המחקר בשבב קוונטי עם 63 קיוביטים, וגילו כי מתרחשת בו תופעה של "התפרצויות" הגורמות לשגיאות; יותר מ-80% מהן נגרמות ישירות על ידי קרני גמא, שיכולות לחדור בקלות לרוב החומרים.
יתר ה"התפרצויות", מצאו החוקרים, כ-18.4% מהן, נגרמות על ידי "מואונים" - חלקיקים זעירים ומהירים, שנוצרים כאשר קרניים קוסמיות מהחלל מתנגשות באטומים באטמוספירה העליונה של כדור הארץ. הם יכולים לעבור דרך בניינים ואנשים מבלי שנרגיש אותם. החוקרים אף התקינו "גלאי מואונים" מיוחדים בתוך המקרר שמכיל את השבב הקוונטי כדי לוודא שאכן הם אלו שיוצרים את השגיאות. התברר, כי אירועי מואונים מתרחשים בערך אחת ל-67 שניות.
כשהחלקיקים האלה, קרני גמא או מואונים, פוגעים בשבב הקוונטי, הם יוצרים מה שנקרא "קוואזי-חלקיקים" - חלקיקי אלקטרונים שבורים. החלקיקים השבורים האלה חודרים למעגלים הקוונטיים העדינים, ומשבשים את המצבים הקוונטיים הרגישים של ה"קיוביטים".
הרבה כשלים בבת אחת
הבעיה הגדולה היא, שהפגיעה לא מסתכמת בקיוביט בודד, אלא יוצרת "שגיאות מתואמות" - כלומר כשלים רבים המתרחשים בו זמנית. לצורך הדגמה - זה כמו שכל המחשב שלכם יקרוס בבת אחת, במקום שרק תוכנה אחת תיתקע. כשתהליך כזה מתרחש, שיטות תיקון השגיאות הקוונטיות הקיימות, שמניחות בדרך כלל שגיאות בודדות ולא "מתואמות", פשוט קורסות.
בעיית השגיאות היא קריטית לתפקודם של מחשבים קוונטיים, ואחת הסיבות למורכבות הכרוכה בהתפתחות התחום. העמידות לתקלות והיכולת להתגבר עליהן היא אחת הדרישות המרכזיות לבניית מחשבים קוונטיים שימושיים. "שגיאות מתואמות" שמקורן בקרינה קוסמית מאיימות ישירות על דרישה זו, ומקשות מאוד על תכנון מערכות אמינות.
בנוסף, ככל ששבבים קוונטיים גדולים יותר, וכוללים מאות או אלפי קיוביטים - כך עולה הסיכוי שחלקיק יפגע בחלק כלשהו במערך. אפילו התפרצות אחת קטנה יכולה להרוס חישובים קוונטיים ארוכי טווח.
ככל ששבבים קוונטיים גדולים יותר, וכוללים מאות או אלפי קיוביטים - כך עולה הסיכוי שחלקיק יפגע בחלק כלשהו במערך
לפי החוקרים, אפילו ארכיטקטורות קוונטיות שנחשבות כיום מבטיחות במיוחד, כמו "קיוביטי מג'וראנה" שהוכרזו באחרונה על-ידי מיקרוסופט ותוכננו להיות עמידים לשגיאות, עלולות להיפגע. מיקרוסופט טוענת כי המעבד הקוונטי שפיתחה, "מג'וראנה 1", עמיד במיוחד לשגיאות, ויסייע לבנות מחשבים קוונטיים בתוך שנים בלבד במקום בתוך עשורים.
אופטימיות זהירה
עם זאת, למרות הגילוי המרתיע, החוקרים מגלים אופטימיות באשר לפתרונות האפשריים: ראשית, שיטת הניטור שפיתחו - מעקב אחר שינויים המתרחשים במקביל ב"קיוביטים" מרובים - יכולה לזהות את אירועי הפגיעה הקוסמיים ואפילו לצפות אותם מראש, מה שמאפשר להתאים את המערכת בזמן אמת.
כך, לדוגמה, אם מזוהה פגיעת קרן קוסמית תוך כדי חישוב, ניתן יהיה לנתב מחדש את מעגלי תיקון השגיאות סביב ה"קיוביטים" שנפגעו, ובכך להוציא מחוץ למעגלי החישוב אזורים פגומים בשבב. שיטת הניטור שפיתחו החוקרים כל-כך רגישה, לטענתם, עד שהיא יכולה לשמש גם ככלי עבור פיזיקאים "לחיפוש חלקיקים אקזוטיים כמו חומר אפל" או "לזיהוי פוטונים רחוקים באינפרה-אדום".
עוד טוענים כותבי המחקר, כי גם מיגון פיזי, כלומר הפעלת מחשבים קוונטיים עמוק מתחת לאדמה, או בסביבות ממוגנות במיוחד, יכולה להפחית את פגיעת הקרניים הקוסמיות. עם זאת, דרישות כאלה צפויות לייקר ולסבך בניית מחשבים קוונטיים, ועדיין לא יבטלו לחלוטין את השגיאות שייצרו קרני הגמא. אפשרות אחרת להתגבר על הבעיה היא תכנון שבבים מחומרים שיכולים "ללכוד" או "לנטרל" את הקוואזי-חלקיקים המזיקים במהירות.
תחום המחשוב הקוונטי רוחש פעילות ברחבי העולם, ויש לו פוטנציאל לחולל מהפכה כמעט בכל תחום בחיינו, מרפואה ומדע החומרים ועד בינה מלאכותית וקריפטוגרפיה. הוא יאפשר, למשל, רפואה מותאמת אישית המותאמת לקוד הגנטי הייחודי של החולה; פריצות דרך במדעי החומרים, שיובילו לסוללות יעילות יותר; סימולציות שיסייעו להבין טוב יותר את שינויי האקלים ועוד. הוא יכול גם לסייע בפיתוח חומרים עם תכונת ריפוי עצמי, שימנעו סדקים בגשרים, במטוסים, במסכי טלפון או במכוניות.
