ג'ון מרטיניס / צילום: נעם מורנו
מחשבים קוונטיים הם אמנם כבר עובדה קיימת אבל פריצת הדרך הגדולה באמת, על פי הפיזיקאי פרופ' ג'ון מרטיניס, ראש פרויקט הקוונטום של גוגל, נמצאת ממש מעבר לפינה. "כבר בשנה הבאה, אולי ב-2020, נגיע בגוגל לשלב שמכונה 'עליונות קוונטית'", מעריך בזהירות מרטיניס, שהקים את הפרויקט בגוגל לפני כחמש שנים. עליונות קוונטית הוא המונח שמתאר את הנקודה שבה מחשב בטכנולוגיה קוונטית יצליח לראשונה לעקוף בביצועים כל מחשב-על 'קלאסי' שפותח אי פעם.
עיניו של פרופ' מרטיניס זורחות כשהוא מדבר על האפשרות שהוא יזכה לראות עוד בימי חייו את ההתגשמות המעשית של התחום המדעי בו הוא עוסק עוד מימי לימודיו באמצע שנות ה-80 של המאה הקודמת. אין לו ספק שזה יקרה - התיאוריות לא טועות.
לתאגידי הטכנולוגיה יש אינטרס להיות הראשונים להציע שירותי מחשוב קוונטי בענן, בין אם לצרכי מחקר אקדמי ובין אם עבור תאגידים פיננסים שירצו לפתח באמצעותם מודלים פיננסים חדשים, או חברות תרופות שירצו לפתח באמצעותם חומרים חדשים. אך גם למדינות יש אינטרס להשיג עליונות מדעית, שתוביל ליתרון יקר מפז במישור הצבאי והכלכלי. אם כיום אחת החזיתות המשמעויות במלחמת הסחר בין ארה"ב לסין היא בחזית השבבים - הלב של המחשבים הקלאסיים - אפשר רק לתאר עד כמה חשוב לשתיים מרוץ החימוש הקוונטי.
פרופ’ מרטיניס הגיע לארץ כדי להשתתף בכנס שעסק בנושא ונערך באוניברסיטה העברית. בראיון ל"גלובס" אמר: "הכותרת של המשימה שלנו היא ליצור מחשב קוונטום שאפשר להשתמש בו. אנחנו עובדים על זה הרבה שנים", ובאמת, גוגל משקיעה היום עשרות מיליוני דולרים בשנה בפרויקט שלו, וחלק גדול מהתקציב מוקדש לרכישת והפעלת ציוד. כל יחידה במחשב עולה מ-500 אלף דולר ועד מיליון דולר: ממקררים רבי עוצמה, דרך מיקרוסקופיים אלקטרוניים ועד מכונות לייצור ציוד נוסף.
"ערכתי מחקרים בתחום כבר במהלך הדוקטורט שלי. גוגל מנסים להפוך את התחום ממשהו אקדמי לשימושי, באופן שיוכל לשפר את החומרה, להמציא אלגוריתמים מתאימים ותוכנה, ולחבר ביניהם. אנשים יוכלו להשתמש במחשב כדי לחסוך כסף".
חותרים לעליונות על פני מחשבים רגילים
אלא שעד להצגתו של מחשב קוונטי מסחרי או מחשב ראשון בעל עליונות קוונטית, הדרך לא פשוטה. האתגר שעומד בפני כל הגופים שעוסקים כיום בפיתוח הוא לא רק להגדיל את מספר הקיוביטים של כל מחשב (קיוביט היא היחידה הבסיסית של מחשב קוונטי, כמו שביט הוא היחידה הבסיסית של מחשב רגיל) - אלא להקטין ככל האפשר את היקף השגיאות שלהם. ההבדל בין מחשב רגיל למחשב קוונטי הוא שכל קיוביט מכפיל את עוצמת החישוב. אך בשל טיבם הלא יציב של הקוונטים ובשל הקשיים הטכנולוגיים לייצר אותם, ככל שהמחשבים הקוונטיים יהיו גדולים יותר כך הם גם מדויקים פחות, וישנו סיכוי לקיוביטים שלא יתפקדו - מחשב קוונטי ש-3% מהקיוביטים שלו שגויים, לא מאפשר עיבוד של המידע בפועל. לכן המשימה כיום היא לשמור את רף האי דיוק נמוך ככל האפשר, כדי שהתוצאות יהיו שמישות.
פרופ' מרטיניס, מה אתם בעצם עושים במעבדות הקוונטום בגוגל?
"מה שאנחנו עובדים עליו השנה הוא ניסוי עליונות הקוונטום. אנחנו משתמשים במחשב 50 קיוביט ונריץ נתונים שהמחשב הקוונטי מסוגל לנתח בשניה אחת. את אותם נתונים בדיוק הסופר-מחשב הכי חזק יצטרך שבוע כדי לעבד - והזמן הזה יתארך ככל שנשפר את המחשבים שלנו. עוצמת המיחשוב בלתי נתפסת, אנחנו לא מבינים עד הסוף את השינוי שעומד להתרחש. כשהמציאו את המחשבים המוכרים אנשים ניסו לחשוב מה ניתן יהיה לעשות איתם, ומה שעושים איתם היום זה הרבה מעבר למה שדמיינו פעם - ואותו הדבר יקרה כאן.
"חוץ מלהגדיל את מספר הקיוביטים, המשימה שלנו היא להקטין את השגיאות שבקיוביטים. זה מה שיבדיל את מה שאנו, IBM והסינים עושים. IBM לא מדברים על זה הרבה, אבל אחוז השגיאות שלהם עומד על כ-5%, בשעה שכבר באוניברסיטת סנטה ברברה, שבה עבדתי לפני כ-10 שנים, היינו ב-0.5%. אולי נצטרך להפחית את זה בחצי. מה שאנחנו רואים כשאנחנו מגדילים את המחשב ל-72 קיוביטים, זה שזה עדיין עובד ממש בסדר".
זה קצת מזכיר את המרוץ לחלל, לא?
"זו דרך נחמדה לחשוב על זה. יש כמה קבוצות שעסוקות בכך - לדוגמה Rigetti, הסינים, D-wave והזכרתי כבר את IBM - והן נוקטות גישה אחרת ומקבלות מימון שונה. כשנעשה את הניסוי ובסופו נשים את המחשב בענן כדי שאחרים ישתמשו בו, נקווה ששלנו יהיה הרבה יותר טוב ובאופן משמעותי.
"אני אוהב להקביל את זה למה שגוגל עשתה עם החיפוש ועם ג'ימייל: הם לא היו הראשונים אבל הם היו כל כך הרבה יותר טובים וזה שינה את האופן שבו אנשים משתמשים באינטרנט. גוגל ואני עסוקים בשיפור האיכות כדי לגרום לדברים לעבוד טוב, אנחנו רוצים לעודד את כל כל האקוסיסטם שבחוץ".
קיים שיתוף פעולה בין הקבוצות?
"יש תחרות בריאה שבה כל אחד עושה את שלו. אנחנו הולכים לכנסים ומספרים מה אנחנו עושים, אבל בגלל טבע התחרות לא מדברים על כל הפרטים.
"ברמת האלגוריתם והתוכנה הנושא די פתוח והרבה אנשים תורמים ידע, אבל ברמת החומרה אנחנו והמתחרות שומרים היטב סודות מסחריים. אנחנו מדברים על דברים עד רמה מסוימת כדי שאנשים יידעו מה אנחנו עושים, אבל ברור שאם הייתי נוסע לסין או לרוסיה הייתי צריך להיות זהיר לגביי מה שאני אומר. אנחנו לא יכולים לקיים שם שיתופי פעולה מסיבות מובנות.
מתי אפשר לצפות למחשב הקוונטום של גוגל?
"אני מקווה שבשנה הבאה. אני מקווה שברגע שנעשה את מבחן העליונות ונראה שהמחשב חזק, נהיה במרחק אלגוריתם אחד מלעשות משהו שימושי וגם לעזור לחברה ולהיות בעלי פוטנציאל פיננסי".
אתה לא חושש שממשלת ארצות הברית תציב בפניכם מכשולים?
"עד עכשיו היינו זהירים בנושא ייצוא, ויש דיונים עם משרד המסחר על זה, בדיוק כמו שגוגל עושה בתחומים אחרים, למשל המכונית האוטונומית והבינה מלאכותית".
לפצח את ההצפנה של רשת האינטרנט
אילו שימושים יהיו למחשב הקוונטי בתחום הבינה המלאכותית?
"זה יהיה קשור לאופטימיזציה. צריך להבין - כשעושים למידת מכונה אתה לוקח הרבה קלט מהעולם ומנסה לסדר אותו כך שכשתקבל עוד נתונים תוכל לזהות אותם. כמו בהמרת דיבור לטקסט: אתה לוקח את כל ההקלטות, מוציא את פלט הטקסט וכשאתה מסתכל על הרבה קטעי דיבור אתה יכול לעשות אופטימיזציה שלהם. במערכות כאלה אפילו 5%-10% של שיפור בביצועים משמעו שכולם רוצים להשתמש במוצר שלך ותנצח בשוק".
אתם צופים שהלקוחות שלכם יהיו ממשלתיים או חברות עסקיות?
"יש לנו צוות עסקי ואנחנו עובדים על זה. אנחנו לא מחפשים מספרים גדולים כי אנחנו עדיין לא שירות ענן אבל אנחנו מתרגלים את הדרך להתחבר ללקוחות ולשותפים אקדמיים.
"לגוגל יש כנס שנתי שמזמין אנשים, מדברים בו על יישומים של הטכנולוגיה ונותנים מענקי מחקר של גוגל בעיקר בתוכנה, אבל חלקם גם בחומרה. ככל שנפתח את השירות בענן יהיו לו הרבה שימושים אקדמיים ונצטרך למצוא את הדרך הנכונה לעשות את זה".
כיצד הדבר נעשה בקוונטום?
"הדרך הקלאסית לפתור בעיות אופטימיזציה היא לנסות דוגמאות שונות ולראות עד כמה המחשב מסייע לפתור אותן, ואז אתה משנה פרמטרים ובודק אם התוצאות משתפרות, ולאט לאט משנה את המודל עד שהוא מתאים טוב יותר לנתונים. במחשב קוונטי, במקום מערך אחד של פרמטרים אפשר להשתמש בהרבה מערכים שעובדים במקביל והמחשב הקוונטי בוחר פתרון ומוצא משהו טוב יותר.
"הבעיה היא שזה נעשה בצורה אינטואיטיבית - זאת אומרת שאין עדיין דרך ברורה לחשוב על זה, ולכן אנחנו צריכים ראשית לבנות את המחשב ורק אז לנסות דברים כדי לראות שאנחנו מקבלים פתרונות טובים יותר, מהירים יותר ושעלותם נמוכה יותר".
איך זה ייראה בפועל?
"אחד הדברים שנעשה כדי להראות את היכולות של המחשב הוא פתרון בעיה סטנדרטית במדעי המחשב: אנשים מגישים תוכנות שהם כתבו כדי לראות מה הפיתרון הטוב ביותר. אם יהיה לנו משהו עובד, ניכנס לתחרות ונוכיח שהאלגוריתם שלנו עושה את זה היטב. כיוון שזו תחרות פתוחה שכולם יודעים מה טוב יותר ולמה, נוכל להראות שאנחנו באמת עושים משהו מעניין".
האם אתה כמדען רגוע לגבי העתיד של הטכנולוגיה הזו בידיהן של חברות פרטיות? הידע עלול להתגלגל בסופו של דבר לידי הממשלה הסינית או הרוסית.
"זה נראה כאילו זה מתרחש במסתרים, אבל זה לא: אני חושב שאם אתה חושש לגבי ההשפעה על החברה, עדיף שזה יתקדם בצורה גלויה כך שאנשים יוכלו להבין את זה. ברור עם זאת שצריך איזון בין הדברים וצריך גם לזכור שיש הרבה תחרות עם חברות אחרות, שגם הן עושות דברים, ושהממשלה מצידה גם היא מממנת חברות. אנשים בגוגל רוצים לעשות את הדברים הנכונים ואני נוח עם איך שאנשים מדברים על זה.
"חלק מהאלגוריתמים יפותחו אפילו יותר כשהידע יהיה בידי הציבור. התמורה הפוטנציאלית לחברה משמעותית: קחו למשל את הכימיה הקוונטית, שתוכל לסייע לפתח דשנים יותר טובים, לחסוך הרבה אנרגיה, או לפתח חומרים חדשים כמו סוללות מסוג חדש למכוניות חשמליות.
"החששות שאתם מזכירים קשורים ללמידת מכונה ובינה מלאכותית ואלה נושאים שבלי שום ספק יהיו בדיון פתוח, ומה שאנשים יחשבו על זה יהיה בעל השפעה על מה שאנחנו עושים. החלק שלי כמדען הוא לדאוג שהטכנולוגיה תעבוד".
מה לגבי הסכנה שמחשב קוונטי יפצח את תקן ההצפנה RSA עליו מבוסס חלק גדול מהאינטרנט, שלא לדבר על כל העולם הפיננסי?
"הבעיה הזו ידועה כבר כמה שנים ויש תכניות פעולה לפיתוח שיטות הצפנה חדשות שיהיו "מוגנות קוונטום". המאמץ לפתח שיטות הצפנה חדשות נמשך מעל עשר שנים: לממשלת ארה"ב יש תכנית שמקדמת רעיונות איך לעשות את זה, גוגל היא חלק מכך. החלק המעודד הוא שקשה לדמיין מישהו שיבנה מחשב קוונטי גדול וחזק מספיק כדי לפצח את צופן ה-RSA בעשר השנים הקרובות, כך שיש לנו זמן".
כמה חזק יצטרך להיות מחשב כזה? כמה קיוביטים יצטרכו לשם כך?
"בערך 100 מיליון. והם יצטרכו להיות קיוביטים איכותיים עם מערכת בקרה טובה.
"לפני שבוע, בכנס של האקדמיה הלאומית למדעים, מישהו אמר שזה לא דבר יוצא דופן שלהצפנת קריפטו יש חיי מדף מוגבלים כי אנשים תמיד מוצאים דרכים להתגבר עליהן. כך שהצורך לפתח שיטות הצפנה חדשות לעשר או עשרים השנים הבאות אינו דבר יוצא דופן. אחת הנקודות הבעייתיות היא שכשאתה משדר נתונים מוצפנים, הם שורדים שנים רבות קדימה ואתה לא יכול לדעת אם בעוד 30 שנה תהיה מכונה שלא ניתן לחזות כרגע. צריך לפקוח עין, אבל זה לא שאסון עומד להתרחש".
מה אתה חושב על המאמצים של ישראל בתחום?
"דיברתי עם ועדת הקוונטום הממשלתית. היו שאלות באמת טובות והתרשמתי שישראל חושבת על התחום בצורה מסודרת. שווה לעשות את זה ולו רק לצורך הידע המדעי. והחלק הנחמד, שאולי יצא מזה משהו באמת מהפכני.
"אני בן 59. נשאר לי עוד הרבה לעשות ואני רוצה לראות כמה רחוק נגיע לפני שאני פורש. הייתי שמח לפני פרישתי לבנות משהו שאנשים ישתמשו בו כדי לפתור בעיות אמיתיות. זה יהיה הישג אמיתי".
"ישראל צריכה שתהיה לה עליונות קוונטית במזרח התיכון"
מנכ"ל רשות החדשנות אהרון אהרון הכריז בראיון ל"גלובס", שפורסם בשבוע שעבר, כי ישראל כבר החמיצה את המירוץ לבניית מחשב קוונטי ולכן צריך כעת להתמקד בטכנולוגיות קוונטיות היקפיות כדי לא להחמיץ גם אותן. אולם לא כולם הסכימו עם ההכרזה הזו, בעיקר כשמדובר בתחום המדעי-טכנולוגי המתקדם ביותר בעולם כיום, שממשלות מגדירות אותו כאסטרטגי עבורן.
פרופ' נדב כץ, ראש המרכז לאינפורמציה קוונטית באוניברסיטה העברית וממובילי מחקר הקוונטום בישראל, אמר השבוע כי "ישראל אולי לא תהיה הראשונה שתבנה מחשב קוונטי, אבל אנחנו צריכים את כוח האדם ואת הקשרים האנושיים, הטכנולוגיים והמדעיים, כדי שנוכל לאמץ את זה פה. אם לא נתחיל עם זה עכשיו, אנחנו נהיה ברמה של יוזרים, שתלויים לחלוטין באחרים".
כץ, שדיבר בכנס "עתיד טכנולוגיות הקוונטום", שאירחה השבוע האוניברסיטה העברית, הדגיש כי "ישראל לא יכולה להרשות לעצמה להיות תלויה במישהו, בתחום שאנחנו מגדירים כאסטרטגי. ישראל לא נחתה ראשונה על הירח וגם לא בנתה את הפצצה הגרעינית הראשונה, אך לפי פרסומים זרים יש לה את היכולות האלה - והאנלוגיה ברורה". פרופ' כץ קובע שישראל צריכה להשקיע את המשאבים הנדרשים כדי להרים תכנית קוונטום ישראלית כדי לתפוס את מקומה במפת הקדמה העולמית.
מלבד פרופ' מרטיניס, שהציג את התקדמותה של גוגל בתחום הקוונטום, הכנס סיפק הצצה לתחומי הפעילות המגוונים בקהילת הקוונטום הישראלית. בכנס, שנערך בשיתוף פעולה של המרכז לאינפורמציה קוונטית באוניברסיטה העברית, "יישום", החברה לפתוח המחקר של האוניברסיטה העברית, הרשות לפיתוח ירושלים ומשרד התפוצות, הציגו גם ד"ר יהודה נווה, ראש תוכנית מחשוב הקוונטום של חברת יבמ, תוכנית שפועלת בחיפה; פרופ' דורית אהרונוב מהמחלקה למדי המחשב של האוניברסיטה העברית; מנכ"לים של סטארט-אפים בתחום כמו ד"ר איתמר סיוון, מנכ"ל חברת Quantum Machines, שכבר גייס הון ראשוני, ויניב פרבר, מנכ"ל חברת QuantLR שעושה כעת את צעדיו הראשונים; משקיעי ההון סיכון אדן שוחט מקרן Aleph ורונה שגב מ-TLV Partners; וד"ר טל דוד, מרכז תחום הקוונטום במינהל אמצעי הלחימה והתשתיות הטכנולוגיות (מפא"ת) של משרד הביטחון, שהציג שורה של פרויקטים שכבר נעשים בתמיכה ממשלתית.
משתתפי הכנס דיברו על תחרות קשה שמתנהלת סביב כספי המחקר האירופאים, בהיקף של מיליארדי אירו, ועד כה ישראל התברגה לשלושה מחקרים בלבד. למה יכולות מחשוב קוונטיות חשובות ברמת המדינה? כיוון שהמשמעות היא תלות בשירותי מחשוב ענן של גופים אחרים - מדינות או חברות עסקיות. ביום בו ישראל תצטרך את היכולת הקוונטית לצורך הגנתה, באותו יום עלולים שירותי הענן להיות לא זמינים. בעבר ארה"ב הגבילה את יצוא יכולת המחשוב המתקדמת שלה לישראל. לכן יש לישראל עניין רב בבניית יכולות קוונטיות כחול-לבן, עליונות קוונטית במזרח התיכון.