המצב הנוכחי של מחשוב קוונטי

מחשוב קוונטי שונה

מחשוב קוונטי הוא הרעיון של שימוש בפיזיקה קוונטית לביצוע חישובים, השונה משיטות מחשוב רגילות מבוססות מוליכים למחצה. במקום ליצור 0 ו-1 (ללא זרם או זרם), הוא משתמש ב"סיביות קוונטיות", הנקראות קיוביטים, כאשר נתוני החלקיקים הם 0 ו-1 בבת אחת, או 1 או 0.

בגלל ההבדל המהותי בדרך החשבון, מחשוב קוונטי הוא לא כל כך אלטרנטיבה למחשוב "רגיל" אלא משלים.

מחשוב סטנדרטי עובד בצורה ליניארית ונאבק בחישובים מורכבים מאוד, כמו דוגמנות אקלים, קריפטוגרפיה או תצורת תלת מימד של מולקולות מורכבות כמו חלבונים. וזה בדיוק סוג החישוב שמחשוב קוונטי צפוי להצטיין בו.

לכן, בעוד שהמחשבים הניידים והסמארטפונים שלנו לעולם לא יהיו מחשבים קוונטיים, הם עלולים לחולל מהפכה במחקר המדעי.

מחשוב קוונטי הוא קשה

לכן, עם ההבטחה שמחשבי-על קוונטיים יבצעו פי אלף טוב יותר מהקיימים, אין זה מפתיע שנעשה מחקר רב כדי להפוך אותם למציאות.

אבל הבעיה היא שיצירת אפילו קיוביט אחד היא טכנית קשה מאוד. הקושי הראשון הוא שמחשוב קוונטי עובד רק בטמפרטורות נמוכות במיוחד, בסביבות מאה מעלות מעל האפס המוחלט. רק בתנאים אלה כמה חומרים ייחודיים הופכים למוליכי-על (חומרים ללא התנגדות חשמלית). זה גוזל אנרגיה, יקר וקשה להשגה.

ואז, ניהול לשלוט, לתפעל ו"לקרוא" את הנתונים בקוביט הוא גם מורכב, בדרך כלל כולל לייזרים מדויקים במיוחד, מיקרוסקופים אטומיים וחיישנים. לבסוף, כל הפרעה תהפוך את הקיוביט לחסר תועלת, ולכן צריך להשיג גם ואקום מושלם.

בעוד שבבי מוליכים למחצה מבצעים מניפולציות בחומר בקנה מידה המודד רק כמה אטומים, מחשוב קוונטי מחפש לטפל בחומר בקנה מידה של חלקיקים. יש לציין כי מחשב קוונטי מעשי ידרוש אלפי קיוביטים כדי להישאר יציבים ולקיים אינטראקציה זה עם זה.

מחשוב קוונטי מתקדם

חציית סף 1,000 קוויביט

צוות בראשות פרופסור גרהרד בירקל מה"אטומים – פוטונים – קוונטהקבוצת מחקר במחלקה לפיזיקה ב טו דרמשטט בגרמניה זה עתה יצר את המחשב הקוונטי הגדול ביותר עד כה.

הם יצרו מחשב קוונטי עם 1,000 קיוביטים אטומיים הניתנים לשליטה בנפרד, וניצחו במירוץ בשטח מול צוותים מדעיים רבים אחרים.

מקור: אופטיקה

סימן ה-1,000 הוא סמלי בחלקו, אך גם סביב המספר הצפוי להידרש ליישום משמעותי של מחשבים קוונטיים. פחות מזה, הם בעיקר קוריוז מדעי ורעיון מבטיח, אבל לא הרבה יותר.

הטכניקה משתמשת ב"פינצטה אופטית", שהם לייזרים מיוחדים המסוגלים לתמרן את האטומים בנפרד. הודות להתקדמות במיקרו-אופטיקה, זוהי הטכניקה המבטיחה ביותר במחשוב קוונטי עבור שיטה ניתנת להרחבה לבניית מערכות הרבה יותר גדולות.

מקור: אופטיקה

"מכיוון שמספר העדשות לסנטימטר רבוע מגיע בקלות ל-100,000 וניתן לייצר פרוסות MLA בשטחים של כמה 100 סנטימטרים רבועים, יש להן פוטנציאל עצום מבחינת מדרגיות, מוגבל רק על ידי כוח הלייזר הזמין."

מקור: אופטיקה

על ידי שכלול השימוש בפינצטה אופטית כזו, פרופ' בירק הוכיח שניתן להנדס מחשבים קוונטיים גדולים, עם אלפי קיוביטים. זה, בתורו, ייתן את הכלי החיוני הנחוץ לחוקרים אחרים לביצוע חישובים קוונטיים.

סימולטורים קוונטיים לפתרון פיזיקה

בעיות רבות בהן מתמודדים פיזיקאים כיום קשורות להתנהגות חלקיקים בקנה מידה קוונטי, או לפחות ברגע שמדמים יותר מ-30 חלקיקים. זו בעיה שכן מערכות מחשוב רגילות נאבקות בהתנהגות הסתברותית של חלקיקים ובפיזיקה קוונטית בכלל.

כדי לפתור בעיה זו, המצב האידיאלי יהיה לפתח "סימולטור קוונטי" שבו קיוביטים יכולים לדמות את התנהגותם של חלקיקים קוונטיים. הסיבה לכך היא שקיוביטים משתמשים בעצמם בתכונות הקוונטיות של הסתבכות ו חֲפִיפָה, שהם החלקים שקשה כל כך לדמות במחשב רגיל.

בעוד שסימולטורים קוונטיים הם בעצם סוג מיוחד של מחשב קוונטי, הבעיה עד כה הייתה לגרום להם לדמות חלקיקים רבים ושונים במקום הצורך לעצב סימולטור קוונטי עבור כל שאלה פיזיקלית ספציפית.

נטליה צ'פיגה וקבוצת המחקר שלה, עוזר פרופסור ב אוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה בהולנד, אולי מצא פתרון.

היא מציעה פרוטוקול שיוצר סימולטור קוונטי הניתן לשליטה מלאה במחקר מדעי מאמר שפורסם ב- Physical Review Letters. זה עובד על ידי שימוש בשני לייזרים עם תדרים או צבעים שונים, הוספת מימד נוסף לחישוב. תיאורטית, ניתן להרחיב שיטה זו כדי להוסיף יותר מ-2 ממדים לחישוב סימולטור הקוונטי.

מקור: ללא שם: אתה delft

סוג זה של סימולטור קוונטי יכול להוות דחיפה משמעותית בהרבה מאמצי מחקר ממש בקצה הידע הנוכחי שלנו, כולל פיזיקה קרה במיוחד (כולל מוליכים), מוליכים למחצה, מדעי החומר, טלקומוניקציה וטכנולוגיות אנרגיה (במיוחד סוללות).

QuDits במקום QuBits

רוב תכנוני המחשוב הקוונטי מתמקדים בקיוביטים, והופכים אותם לקלים יותר לתפעול/תכנות ולהוסיף עוד מהם. חלופה היא שימוש בספרות קוונטיות, או "קוודיטים".

"מחשב קוונטי עם x קיוביטים יכול לבצע 2^x חישובים. עם זאת, מכונה עם מספר x של qudits, כאשר D מייצג את מספר המצבים לכל qudit, יכולה לבצע D^x מספר חישובים.

זה אומר שאתה יכול לקודד את אותו מידע בפחות חלקיקים קוונטיים בעת שימוש ב-Qudits."

מרטין רינגבאואר, פיזיקאי קוונטים באוניברסיטת אינסברוק באוסטריה ב IEEE ספקטרום

במילים פשוטות יותר, ככל שיש יותר ממדי D למערכת מחשוב קוונטי, כך היא הופכת לחזקה יותר באופן אקספוננציאלי. בנוסף לחישוב יעיל יותר זה באמצעות qudits במקום qubits, הם צפויים להיות אמינים יותר ופחות סביר לגרום לשגיאות חישוב מאשר qubits.

אז זה חדשות גדול צוות חוקרים בראשות אנדריאה מורלו ב USNW באוסטרליה יצרה מערכת מחשוב qudit בעלת 16 מימדים הניתנת לשליטה גבוהה. עם D=16, כל כמות של קוודיטים שמתווספת למערכת מגדילה את קיבולת המחשוב בהספק 16.

כדי להשיג זאת, הם השתמשו באטום תורם 123Sb (אנטימון), שהושתל במכשיר ננו-אלקטרוני סיליקון.

"מרחב הילברט המשולב של האטום משתרע על פני 16 ממדים, וניתן לגשת אליו באמצעות שדות בקרה חשמליים ומגנטיים כאחד. אנדראה מורלו"

מערכת זו השיגה תוצאות יוצאות דופן; יש לציין, "הספין הגרעיני כבר מראה נאמנות שערים העולה על 99% ללא קשר למנגנון ההנעה". אטום האנטימון הוא גם שיפור בהשוואה ל-31P (זרחן) שנעשה בו שימוש בעבר, שכן אנטימון הוא אטום כבד יותר וקל יותר לתפעל אותו.

הישג טכני ומדעי זה גם משתפר עוד יותר, בעיקר שימוש ב-28Si מטוהר איזוטופי (סיליקון), הסרת ריכוז 29Si שיורי ושיפור מהימנות המערכת (זמני קוהרנטיות ואמינות שערים).

מצב פיתוח מחשוב קוונטי

התחום עדיין מאוד בחיתוליו, עם מושגים חדשים לגמרי שעדיין צצים, כמו qudits שמיש או סימולטורים קוונטיים ניתנים לתכנות.

בשילוב עם ההתקדמות ביצירת 1,000+ מערכות קיוביטים, זה מראה שמחשוב קוונטי יהיה ככל הנראה תחום מדעי חשוב מאוד בעשורים הקרובים, עם פוטנציאל אדיר שלא מנוצל.

נכון לעכשיו, המחקר במדעי החומר או הביוכימיה מקבל חיזוק על ידי AI, משהו שדיברנו עליו במאמר שלנו "תעשיות משבשות המתלכדות סביב טכנולוגיית ליבה - בינה מלאכותית (AI)".

אבל בקרוב, ב-5-10 השנים הבאות, אולי נתחיל לראות תוצאות מעשיות של חישובי מחשוב קוונטי. החומרה עוברת כעת מניסויי מחשבה ומדגמי מעבדה לאבות טיפוס של מחשבי מחקר מסחריים.

השלב הבא יהיה פיתוח תוכנה שיכולה למקסם את הפוטנציאל של מחשוב קוונטי - ולהתחיל לייצר מחשבים קוונטיים בקנה מידה כדי להפחית עלויות ולספק סטנדרטיזציה מסוימת.

לכן, במובנים רבים, המחשוב הקוונטי נמצא בשלב בו יצאו מיינפריים מחשב מסחריים ראשונים בשנות החמישים והשישים לפני שהפכו לכלי עסקי ומחקר נפוץ בעשורים הבאים.

יישומי מחשוב קוונטי

למרות שקשה לחזות זאת במלואה, אנחנו כבר מכירים כמה קטעים שירוויחו מאוד ממחשוב קוונטי שהופך זמין יותר:

• דוגמנות ביוכימית: מקביעת הצורה התלת-ממדית של חלבון ועד לביטוי גנים, החישוב של מולקולות ביולוגיות מורכבות לאטומים יכול לחולל מהפכה במחקר הביוטכנולוגיה.
• דוגמנות אקלים: מודלים של אקלים הם מורכבים בצורה יוצאת דופן ומותחים את הגבולות של מה שמחשבי העל הנוכחיים יכולים לעשות. הבנה טובה יותר של האקלים, עם סולם חישוב עדין יותר במודל, הן מבחינה גיאוגרפית והן בזמן, עשויה לסייע בהבנת סיכוני שינויי האקלים.
• סמיקונדקטורס: ניתן להשתמש במחשבים קוונטיים כדי להפוך שבבי מחשב רגילים להרבה יותר חזקים. כששבבים "רגילים" מגיעים כעת לקנה המידה הננומטרי, תופעות קוונטיות הופכות לבעייתיות יותר ויותר, וייתכן שיהיה צורך במחשבים קוונטיים כדי לפתור אותן.
• מדעי החומר: הבנה טובה יותר של פיזיקת הקוונטים והתגובה של חומרים עד לאטומים בודדים יכולה לפתוח עיצובים חדשים לחומרים המשמשים בתעופה וחלל, סוללות, הדפסת תלת מימד, ייצור וכו'.
• קריפטוגרפיה: מחשבים קוונטיים עלולים להפוך את כל שיטות ההצפנה הנוכחיות למיושנות. זהו דאגה רצינית עבור מערכות צבא, פיננסי ו-IT. אבל באותו זמן, זה יכול להפוך את ההצפנה אפילו יותר בטוחה.

מניות מחשוב קוונטי

1. תאגיד מכונות עסקיות בינלאומיות

תאגיד מכונות עסקיות בינלאומיות (יבמ +% 1.45)

International Business Machines Corporation (IBM) היה הכוח המוביל מאחורי המסחור של מחשב המיינפריים הראשון. עם זאת, הוא נפל מאחורי ענקיות טכנולוגיה אחרות כמו אפל, TSMC ו-NVIDIA.

עם זאת, הוא נמצא בחזית הפיתוח של מחשבים קוונטיים. לדוגמה, היא פיתחה את המחשב הקוונטי "נשר" בעל 127 קיוביטים, ואחריו מערכת 433 קיוביטים הידועה בשם "Osprey".

וזה עכשיו ואחריו "קונדור", מעבד קוויביט קוונטי בעל מוליכי-על של 1,121 מבוסס על טכנולוגיית שערים צולבים, יחד עם "Heron", מעבד קוונטי ממש בקצה התחום.

לבסוף, יבמ הוציאה את Qiskit 1.0 בפברואר 2024, ה-SDK הפופולרי ביותר למחשוב קוונטי, עם שיפורים בבניית המעגלים, זמני הקומפילציה וצריכת זיכרון בהשוואה למהדורות קודמות.

במבט קדימה, יבמ כבר הכריזה על היעד הגדול הבא שלה בציפייה לכך שהשבבים הקוונטיים הנוכחיים שלה 'יגדלו' מהתשתית הנוכחית בשימוש. מטרה זו ידועה בשם 'IBM Quantum System Two'; מערכת מודולרית בעלת פוטנציאל לתמוך בעד 16,632 קיוביטים.

החוזק של IBM היה מאז הקמתה בפיתוח מחשבי-על חזקים במיוחד, פלח שוק המואפל על ידי עליית האלקטרוניקה הצרכנית והשבבים הסטנדרטיים. הופעתו של מחשוב קוונטי היא הזדמנות עבור IBM לזרוח שוב ולהפוך למובילה בפלח חשוב זה של מחשוב עתיד, למחקר מדעי ולצורכי מחשוב של תאגידים גדולים.

2. Microsoft Corporation

כבר מובילה בשירותי ענן "רגילים", מיקרוסופט היא חלוצה בהצעת שירותי ענן מחשוב קוונטי עם קוונטית תכולה. בהחלט ייתכן שרוב המחשוב הקוונטי בעתיד ייעשה על ידי חוקרים "מרחוק", תוך הסתמכות על שירותי ענן כמו של מיקרוסופט, במקום גישה ישירה למחשב הקוונטי שלהם.

זה סביר במיוחד שכן, בסופו של דבר, רוב יישומי המחשוב הקוונטי ייחקרו על ידי ביוכימאים, מומחים למדעי החומר, מדעני אקלים ומומחים אחרים ללא רקע ספציפי במחשוב קוונטי. אז ההסתמכות על אנשי מקצוע מסורים העובדים בחברות כמו IBM, Microsoft או Google כדי לטפל בחלק המחשוב הגיוני יותר מאשר להעסיק או להכשיר אנשים זרים לתחום.

השירות יכול גם להציע "מחשוב היברידי", ערבוב מחשוב קוונטי עם שירות מחשבי-על מסורתי מבוסס ענן.

מקור: מיקרוסופט

במקום אינטגרציה אנכית, הגישה של מיקרוסופט למחשוב קוונטי הייתה ליצור שותפויות עם מובילים בתחום המכסים למעשה את כל הטכנולוגיות האפשריות להשגת מחשוב קוונטי, כמו IonQ (IONQ), פסקאל, קוונטיום, QCI (QUBT), ו ריגטי (RGTI).

מקור: מיקרוסופט

מחשוב קוונטי אינו מרכזי בעסקיה של מיקרוסופט, לפחות כרגע. עם זאת, היא מהווה גורם מרכזי במגזר ועשויה להביא לבחירת מניות "בטוחה" יותר על פני רכישה ישירה של מניות של שותפי המחשוב הקוונטי שלה הנסחרות בבורסה, כמו QCI או ריגטי.

3. אלפבית Inc.

גוגל פעילה מאוד במחשוב קוונטי, בעיקר באמצעות מעבדת ה-Google Quantum AI שלה וקמפוס Quantum AI בסנטה ברברה.

המחשב הקוונטי של גוגל עשה היסטוריה בשנת 2019 כאשר גוגל טענה שהשיגה "עליונות קוונטית" עם מכונת השקמה שלה, וביצע חישוב ב-200 שניות שהיה לוקח למחשב-על רגיל 10,000 שנה.

אבל אולי התרומה הגדולה ביותר של גוגל תהיה בתוכנה, פעילות שבה יש לה רקורד הרבה יותר טוב מחומרה (חיפוש, GSuit, אנדרואיד וכו'). כבר עכשיו, ה-Quantum AI של גוגל מעמיד חבילת תוכנה שנועדה לסייע למדענים בפיתוח אלגוריתמים קוונטיים.

ייתכן שגוגל תהיה אחת החברות שקובעות את הסטנדרטים של תוכנת מחשוב קוונטי ותכנות, מה שנותן מקום מיוחס לכוון לאן התחום יתפתח בעתיד.

4. קוונטיום / Honeywell

Quantinuum היא תוצאה של מיזוג של Honeywell Quantum Solutions ו-Cambridge Quantum (וכאמור שותפה למחשוב הענן הקוונטי של מיקרוסופט).

נראה ש-Quantinuum, לעת עתה, מתמקדת במקטעים שפחות נחקרו על ידי מערכות מחשוב קוונטי אחרות, בעיקר ניתוחים פיננסיים ושרשרת אספקה, באמצעות מנוע ה-Quantum Monte Carlo Integration (QMCI), שהושק בספטמבר 2023.

QMCI מתייחס לבעיות שאין להן פתרון אנליטי, כגון תמחור נגזרים פיננסיים או הדמיית תוצאות של ניסויים בפיזיקת חלקיקים באנרגיה גבוהה, ומבטיח התקדמות חישובית בעסקים, באנרגיה, בלוגיסטיקה של שרשרת האספקה ​​ובמגזרים אחרים.

כמו עבור מיקרוסופט, מחשוב קוונטי אינו החלק המרכזי בעסקים של Honeywell, מרוכז יותר סביב מוצרים בתחום התעופה והחלל, אוטומציה וכימיקלים וחומרים מיוחדים.

עם זאת, בהתחשב בכל אחד מהמגזרים העסקיים הללו יכול להפיק תועלת ממחשוב קוונטי, לא קשה לראות את המקרה העסקי של Honeywell להיות מעורב.

אז זה הופך את Honeywell גם לספקית של שירותי מחשוב קוונטי וגם לאחת החברות שיכולות להפיק תועלת מהיישום של מחשבים קוונטיים למקרים עסקיים אמיתיים, משהו שהשילוב של Quantinuum בקבוצה אמור לעזור לטפח בקצב מהיר יותר מהתעשייה שלה. מתחרים.

5. אינטל

אינטל היא יצרנית שבבים גדולה ונראה שהיא מכוונת למנף את הכוח הזה לזירת המחשוב הקוונטי.

זה שוחרר לאחרונה "מפלי המנהרה", ה" שבב סיליקון ספין קיוביט המתקדם ביותר". מה שמדהים הוא שזה לא אב טיפוס אלא שבב שנבנה בקנה מידה, עם שיעור תפוקה של 95% על פני רקיק ואחידות מתח. זה פותח את הדרך לייצור המוני של שבבי מחשוב קוונטי, משהו חמקמק בינתיים בתעשייה המתהווה ומשתנה במהירות.

מקור: אינטל

נאמנה לשורשיה, אינטל מפתחת גם את התוכנה לניצול השבבים שלה, עם שחרורו של ה- Intel Quantum SDK. זה מספק את הקו המנחה למתכנתים לפתח תוכנה למחשוב קוונטי התואם לעיצוב שבבים קוונטי של אינטל, שהיתה היסטורית חפיר עסקי חזק ורווחי מאוד עבור עסקי השבבים הרגילים של אינטל.

מקור: אינטל

הגעתו של ייצור שבבים קוונטיים ניתנים להרחבה יכולה להיות מהפכנית עבור התעשייה כמו כל פריצת דרך מדעית טכנית אחרת, להוזיל עלויות ולקבוע תקני תכנות וארכיטקטורות שבבים נפוצות.

אינטל היא חברה שיודעת מניסיון כמה כוח זה יכול להיות בתעשיית המחשוב, ועדיין רוכבת על זנב החידושים והפטנטים הנלווים שלה משנות ה-1960 ואילך.

6. Defiance Quantum ETF

מגזר המחשוב הקוונטי עדיין צעיר מאוד. עד כה השתלטו עליו בעיקר תאגידי טכנולוגיה גדולים עם כיסים עמוקים מספיק כדי לממן מיליארדי דולרים לסוג זה של מחקר יסודי.

עם זאת, חברות קטנות רבות אחרות פעילות גם בתחום, חלקן משתפות פעולה עם הענקיות האמורות כדי לפרוס את הטכנולוגיה שלהן.

זו יכולה להיות משימה קשה למדי עבור משקיעים שאינם מומחים להבין את המורכבות של טכנולוגיות המחשוב הקוונטי השונות, אפילו יותר לנחש אילו יצליחו מסחרית.

לכן, בעוד שהשקעה ישירה בסטארטאפים קטנים של מחשוב קוונטי היא אופציה, אפשרות אחרת היא להסתמך על תעודת סל כדי לקבל חשיפה למגזר תוך גיוון בעלות נמוכה יותר.

תעודת הסל Defiance Quantum מכילה 69 מניות שונות הקשורות למחשוב קוונטי באחזקותיה, כולל מפתחי מחשבים ושבבים קוונטיים, כמו גם ספקים של מערכות קירור, לייזרים, תוכנות וטכנולוגיה אחרת המשמשת במחשבים קוונטיים או ייצור שבבים קוונטיים.

מקור: Defiance ETF

בתחום המתפתח במהירות, רוב המשקיעים, גם אלה שמכירים את תעשיית המוליכים למחצה, ייהנו כנראה ממידת גיוון. כך שניתן להשיג זאת על ידי הימור על ענקיות טכנולוגיה בודדות שעושות את בחירות השותפות הנכונות או עם מגוון רחב של מניות, דבר שמושג לעתים קרובות יותר באמצעות תעודת סל ייעודית.