לראשונה אי פעם: מחשב קוונטי הצליח לייצר מציאות בדיוק מבהיל

ענקית המחשוב IBM הודיעה היום (חמישי) כי צוות חוקרים שלה, בשיתוף מדענים ממוסדות מחקר מובילים בארה"ב, הצליחו ליצור סימולציה מדויקת של חומר מגנטי באמצעות מחשב קוונטי. זוהי הפעם הראשונה שבה בוצעה סימולציה במחשב קוונטי שניתן לאמת את הדיוק והאמינות שלה בהשוואה להתנהגות הפיזיקלית של החומר בטבע - ולא רק בהשוואה לחישובים שבוצעו בידי מחשב.

מדובר בפריצת דרך משמעותית בהפיכת המחשוב הקוונטי לכלי מדעי מעשי משום שהיא מוכיחה שכבר כיום ניתן להשתמש במחשבים הללו כדי לדמות חומרים ברמת דיוק ואמינות גבוהה.

הניסוי בוצע במסגרת מחקר ראשוני ומקדים (Pre -Print Study) בשיתוף מדענים ממרכז מדעי הקוונטום במעבדת Oak Ridge National Laboratory - הממונים על ידי משרד האנרגיה האמריקני - חוקרים מאוניברסיטת פרדו (Purdue), אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין, המעבדה הלאומית בלוס אלמוס ואוניברסיטת טנסי. במסגרת הניסוי בחנו החוקרים סימולציה שנוצרה באמצעות מחשב קוונטי של חומר מגנטי מוכר בשם KCuF₃ והשוו בינה לבין המאפיינים הפיסיקליים האמיתיים של החומר, כפי שנאספו על ידי ניסויים אחרים שבחנו את האופן בו החומר מתנהג בטבע.

הניסוי התבסס על טכנולוגיה שבה יורים אלומות של נייטרונים על חומר ובוחנים את האופן שבו הן מתפזרות. כך יכולים המדענים לחקור את ההתנהגות של החומר בקנה מידה אטומי בדיוק רב. אלא שניטור הדינמיקה הזו דורש חישוב של מספר עצום של חלקיקים המקיימים אינטראקציה - חישוב שהופך קשה במיוחד עבור מחשבים קלאסיים ולא ישים כשמדובר בניסויים מורכבים.

מנגד מחשבים קוונטיים, שפועלים בעצמם לפי כללי המכניקה הקוונטית, מתאימים באופן טבעי לסוג זה של מחקר משום שהם יכולים לייצג התנהגות קוונטית באופן ישיר - ולא רק באמצעות אומדנים וחישובים מוערכים.

ההצלחה בסימולציה, והעובדה שהתוצאות אומתו בהשוואה לניסויים אחרים שבוצעו, מוכיחה שכבר היום ניתן לשלב מחשבים קוונטיים יחד עם מחשוב-על קלאסי כדי לדמות במדויק את המורכבויות של חומרים קוונטיים ולחזות את התנהגותם ברמת אמינות גבוהה. היכולת להבין מערכות קוונטיות מורכבות היא הבסיס לפיתוח מוליכי-על, תרופות וחומרים מתקדמים, שעד היום היה כפוף למגבלות החישוב של מחשבים קלאסיים.

הניסוי הוא חלק ממגמה רחבה של שימוש במחשוב קוונטי לפתרון בעיות מדעיות בתחומי הכימיה, מדעי החומרים והביולוגיה. בתחילת החודש הצליחו חוקרים של IBM לתכנן, לבנות ולאמת, באמצעות מחשב קוונטי, מולקולה בעלת מבנה ייחודי שלא נצפתה או נחזתה באופן רשמי מעולם. המולקולה, (שנוסחתה הכימית C₁₃Cl₂) הורכבה ב-IBM, אטום אחר אטום, ממולקולת מוצא ייעודית שסונתזה באוניברסיטת אוקספורד.

במהלך התהליך, הוסרו אטומים בודדים בזה אחר זה באמצעות פולסי מתח מכוילים בדיוק רב, בתנאי ואקום אולטרה-גבוה ובטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט. גם הניסוי הזה שימש הוכחה ליכולת של מחשבים קוונטיים לדמות בצורה הטובה ביותר את חוקי הפיזיקה הקוונטית, ולחקור את החומרים הזעירים ביותר המרכיבים את העולם.

"פריצת הדרך הזו מחזקת עוד יותר את מעמדו של המחשוב הקוונטי כאחד מעמודי התווך של מחשוב-העל המודרני", אמר אבהינב קאנדלה (Abhinav Kandala) חוקר בכיר ב-IBM.

"שחזור ספקטרום של פיזור נייטרונים הוא תחום שבו מחשוב קלאסי דורש משאבים עצומים ועלול להגיע לתקרת יכולת המגבילה את אפשרויות המחקר במדעי החומרים. התוצאות הללו מראות כי ההתקדמות בחומרה ובאלגוריתמים קוונטיים מציבה את המחשוב הקוונטי-משולב ככלי פרקטי להבנת התנהגות חומרים בקנה מידה אטומי, גם ללא גישה ישירה למקורות נייטרונים".

IBM נחשבת כיום כמובילה ופורצת דרך בפיתוח מחשבים קוונטיים פעילים. לאחרונה חשפה IBM ארכיטקטורת supercomputing פתוחה וקלה לשילוב, ממוקדת-קוונטים, שנועדה לאפשר הרחבה של מערכות קוונטיות לצד מחשבי-על קלאסיים, כדי לסייע בפתרון בעיות ששיטות קלאסיות לבדן מתקשות להתמודד איתן. החברה גם הציגה מפת דרכים לבניית IBM Quantum Starling, שלדבריה צפוי להיות המחשב הקוונטי הגדול הראשון בעולם העמיד בפני תקלות, וצפוי להימסר ללקוחות בשנת 2029.