פרק 64. מעבר לחוק מור: מחשוב כימי וקוונטי עם פרופ’ יונתן דובי

להאזנה לפרק לחצו פליי כאן, יש לגלול מטה על מנת לקרוא את התמלול

להאזנה בכל יישומוני ההסכתים או לצד תמלול כאן באתר

Apple
Google
Spotify
YouTube
RSS
Pod.link

איך נעקוף את חוק מור? כיוון אחד הוא באמת אלקטרוניקה מולקולרית. רעיון אחר הוא המחשוב הקוונטי, והרעיון השלישי הוא משהו שנקרא מחשוב נוירומורפי

פרופ’ יונתן דובי

האורח שלי היום הוא פרופ’ יונתן (יוני) דובי

חבר המחלקה לכימיה באונ’ בן גוריון וחבר מרכז אילזה כץ למדע וטכנולוגיה בתחום הננומטרי, גם בבן גוריון

יוני דובי מוכר לציבור כמרגיע הלאומי בנושא משבר האקלים, אבל אנחנו נדבר אתו על המדע שהוא עושה בדיי ג’וב שלו

התחלתי את הקריירה המחקרית שלי בתור פיזיקאי תיאורטי ממש, חקרתי על-מוליכות. נכנסתי לתחום של הולכת אנרגיה במערכות ננומטריות, למשל מולקולה. ואז הלכתי למחלקה לכימיה, בגלל שהמערכות הפיזיות שבהן הדברים שאני חוקר קורות, זה באמת מערכות שחלק גדול מהן הן מערכות כימיות. כמעט כל מה שאני עושה בעולם המחקרי שלי מונע מסקרנות. יש תמיד איזושהי אפליקציית-על, זאת אומרת, עוד מאה שנה נוכל לעשות, עוד חמישים שנה אולי נצליח. אבל האמת היא, אל תגלי לאף אחד, שאני מונע אך ורק מסקרנות. אני פותר בעיות שמעניינות אותי, והן בעיני מגניבות

אבל חלק מהבעיות שפרופ’ דובי פותר דווקא אפליקטיביות מאד לעתיד המחשוב, ועל זה עיקר הפרק היום. נבין למה, איך, מתי, ועד כמה, טכנולוגיות היומיום שלנו יהיו עשויות מחומרים אורגניים וקוונטיים


ב1965, המהנדס האמריקאי גורדון מור, אחד ממייסדי חברת אינטל, ניבא שהמחשבים שלנו ילכו ויקטנו, מפני שכל שנה וחצי-שנתיים נצליח להגדיל באופן מעריכי את כמות הטרנזיסטורים, שאנחנו דוחסים על מעגל משולב אחד בצ’יפ. לזה קוראים “חוק מור“, ואפשר לומר שזו הייתה נבואה שהגשימה את עצמה. אבל בימים אלה הגענו לגבול של החוק הזה, ואין לנו ברירה אלא לקחת את תחום המחשוב לכיוונים אחרים לגמרי

המחשבים כבר היום הם בגודל בלתי נראה. טרנזיסטורים של היום בצ’יפ את כבר לא רואה בעין. הצ’יפ הסטנדרטי של מחשב הוא נגיד סנטימטר על סנטימטר, גודל של מטבע של שקל בערך, ויש עליו מיליארד וחצי טרנזיסטורים, שפועלים בצורה מסונכרנת. זה פלא טכנולוגי שלא יאומן. בשנות השבעים, כשאינטל התחילה לעבוד, היו בערך 2500 טרנזיסטורים על צ’יפ. אבל אנחנו מתחילים להגיע לגבול התיאורטי. הטרנזיסטורים הכי מתקדמים שלהם הם חמישה ננומטר, אבל זה כבר מאד קרוב למרווח בין האטומים בסיליקון עצמו! איך נעקוף את חוק מור? כיוון אחד הוא באמת אלקטרוניקה מולקולרית. רעיון אחר הוא המחשוב הקוונטי, והרעיון השלישי הוא משהו שנקרא מחשוב נוירומורפי

בואו נעמיק באפשרויות הללו אחת אחת. לפני כמעט 20 שנה כבר, פרופ’ אהוד שפירא ממכון וייצמן בנה את המחשב הביולוגי הראשון. הוא הצליח להראות שאפשר לבנות מכונת טיורינג, שזה המודל המופשט שלנו למחשב, גם מרכיבים ביולוגיים, הם לא חייבים להיות טכנולוגיים. הרעיון של מחשב מחומרים אורגניים מקריס לנו את הגבול שבין האורגאני למכאני, ואצלי לפחות זה פותח פתח לשאלות מרתקות. למשל, אם אנחנו חושבים היום שהתודעה היא תכונה של הביולוגיה שלנו, האם ייתכן שתודעה תפציע במכונות כשהן יהיו מורכבות מחומרים ביולוגיים? וגם כמובן שאלות אתיות, כמו של מי המולקולות והדנ”א שמהם יופקו חלקי המחשב, והאם יש לנו בכלל זכות להשתמש בחומר חי בצורה כזו? אבל אנחנו מאד רחוקים משם עדיין. מה שכן קורה היום זה, שמסנתזים בקלות מולקולות במעבדה מאבני בנין של דנ”א, ויש שני כיוונים ליישומים של זה

כיוון אחד הוא המרת אנרגיה. אנחנו חקרנו הרבה זמן איך אפשר לנסות להנדס מולקולות ספציפיות, שיאפשרו משהו שנקרא המרה תרמו-אלקטרית, שזה הפרש טמפרטורות שמומר לחשמל. זה קשה מאד ומאד לא יעיל. הכיוון השני הוא לנסות להשתמש במולקולות כדי לחקות רכיבים אלקטרוניים. מה שאנחנו רוצים לעשות זה לעשות רכיב אלקטרוני שמורכב ממולקולה אחת. הרכיבים האקטיביים שיש לנו באלקטרוניקה זה דיודה (זה בסך הכל שסתום זרם), והרכיב האולטימטיבי הוא הטרנזיסטור. טרנזיסטור זה בעצם רכיב חשמלי, שאתה יכול לשלוט האם עובר או לא עובר בו זרם, על ידי מכה קטנה של זרם חשמלי מבחוץ. ככה עובד מחשב, הרבה טרנזיסטורים, אתה כותב עליהם אפס או אחד לפי האם עובר או לא עובר בהם זרם, הם מחוברים אחד לשני, ואתה שולט על כל אחד מהם בעזרת אוסף של זרמים. בגלל זה מחשבים מחוברים לחשמל. בגדול, כשאתה לוקח שתי דיודות ומחבר אותן הפוך מתקבל טרנזיסטור. ואנחנו שאלנו את השאלה כמה קטן אפשר לעשות דיודה. האם אנחנו יכולים להנדס מולקולה, כדי שהיא תהיה שסתום זרם? ולצורך זה הלכנו למולקולות שאנחנו יודעים להנדס אותן בצורה הכי טובה, שזה מולקולות של דנ”א. מה שמעניין אותנו זה העובדה שאתה יכול להתקשר לחברת הדנ”א החביבה עליך, להגיד להם “תעשו לי את המולקולה הזאת והזאת”, והם יודעים לעשות את זה בדיוק שלא יאומן

ושוב, אני עשיתי רק את התיאוריה של זה, אבל בגדול מה שעושים – וזה באמת ננוטכנולוגיה ברמה הכי מגניבה שיש – לוקחים חוט זהב ומושכים אותו, ואז כשזה נשבר יש לך שפיץ שהוא חד ברמה האטומית, בקצה של השפיץ יש שניים-שלושה אטומים של זהב. מפזרים את המולקולה הזאת על משטח, ואז נוגעים בה עם המחט הדקיקה הזאת של הזהב, ואז מושכים. ואז יש לך מעגל חשמלי, שהזרם חייב לעבור דרך מולקולת דנ”א קטנטונת. הגודל שלה בערך 10-11 ננומטר, לשים את המולקולה הזאת על שערה, זה כמו לשים שערה במגרש כדורגל. ואז לקחנו את המולקולה הזאת, עשינו חוט חשמל, והראנו שבאמת חוט החשמל הזה יש לו תכונות של שסתום זרם. קודם כל צריך להבין, זה לא רכיב חשמלי קלאסי, זה רכיב הרבה יותר מסובך, וכשהאלקטרונים נכנסים לתוכו, הם מקיימים לא את המשוואות הקלאסיות של החשמל (משוואות אוהם וחוקי קירכהוף), אלא משוואות שרדינגר, המשוואות ששולטות במכניקה הקוונטית

זה רחוק מאד מלהיות רכיב, אבל אנחנו עובדים על זה. זאת אומרת, זו שאלה קשה איך לחבר שני כאלה בצורה הפוכה, ולשלוט בהן מבחוץ כדי לשנות. אבל הרעיון הוא לאו דווקא לייצר מחשב קוונטי, אלא לייצר מחשב קלאסי, רגיל לגמרי, שהרכיבים שלו הם מאד מאד קטנים. עכשיו, גם הטרנזיסטורים של היום, שהם קטנים בצורה יוצאת דופן, הם בעצמם בגודל של כמה ננומטר, אבל הרכיב עצמו תופס נפח. שלוש מאות ננומטר לגובה ולרוחב, מן תיבה. אם נצליח לעשות רכיב מולקולרי, נוכל להכניס בתוך תיבה כזאת איזשהו מספר בין מאה אלף למיליון טרנזיסטורים כאלה. זאת אומרת, אנחנו נוכל לשפר את יכולת החישוב של הטרנזיסטור בסדרי גודל רבים

אז החלפת הטרנזיסטורים במולקולות מאפשרת לנו לחצות את הגבול שמציב לנו חוק מור, אבל המחשבים עדיין יעבדו באותו פורמט מוכר של מכונת טיורינג. האופציה השנייה, של מחשוב נוירומורפי, היא ללכת על מודל מחשוב שונה לגמרי

המחשבים שאנחנו משתמשים בהם היום עובדים על מכונת טיורינג. איך הם עובדים? יש לך רכיב פיזי שמייצג שורה של ספרות, אפס ואחד, ואתה יכול או לכתוב (לשנות מאפס לאחד) או לקרוא (האם כתוב אפס או האם כתוב אחד). המניפולציה הזאת מאפשרת לנו לעשות חשבונות בסיסיים. אבל יש כאן מגבלות בסיסיות, למשל, אם אתה רוצה לשמור את מה שעשית כדי להשתמש בו אחר כך, צריך להעתיק את הרשימה שלך למקום אחר, ואז כדי לקרוא אותה שוב, להעתיק אותה חזרה לאיפה שנעשה החשבון, ואז עושה עליו מניפולציות. ככה בגדול עובדים המחשבים של היום. אבל יש לנו דוגמא למערכת חישובית שעובדת אחרת לגמרי, וזה המוח האנושי

ושוב, אנחנו לא מבינים איך עובד, אבל אנחנו כן מבינים הרבה מאד על הרכיבים הבסיסיים, זה הנוירונים. הנוירונים הם לא מחשב. כמובן אפשר לכתוב ולקרוא עליהם או בעזרתם, אבל הם גם שומרים את האינפורמציה. ויותר מזה, היכולת שלך לכתוב עליהם, קשורה גם למה קורה לנוירונים בסביבה שלהם, וגם יש להם כנראה זיכרון. זאת אומרת, היכולת שלך לקרוא ולכתוב קשורה למה עבר כבר על הנוירון, כי חלק מהפרמטרים הכימיים של הנוירון משתנים תוך כדי פעילות. וזה קונספט אחר לגמרי מהמחשבים המודרניים. לדעתי זאת לא מכונת טיורינג, היום קוראים להם “מם קומפיוטר” (מם מלשון ממורי, באנגלית זיכרון). האם כל מם קומפיוטר הוא מכונת טיורינג ולהיפך, זה שאלות תיאורטיות במדעי המחשב וקשה מאד להוכיח אותן

מזה כמה עשורים אנחנו לוקחים ברצינות את המטאפורה הזאת, שהמוח שלנו הוא כמו מחשב גדול, אבל מסתבר שהמודל של המוח והמודל של מכונת טיורינג שונים מאד, ויש לשוני הזה משמעויות פרקטיות

מה שמעניין אותנו הוא העובדה שאנחנו יודעים בוודאות, שמכונות מסוגים שונים, יודעות לעשות בצורה מאד פשוטה דברים אחרים. למשל, מחשב סטנדרטי יכול מאד בקלות להכפיל 3425 ב178.5, נכון? זה לוקח לו מיקרו שניה, ואני ואת צריכים דף ומחשב. לעומת זאת, ילד בן שלוש שרואה זנב של חתול בין שתי כריות בסלון, יכול להגיד “אימא, החתול בסלון”, לזהות את הקונטקסט שלו במרחב, ולדעת מה לעשות עם זה.  אפילו היום, עם כל הקפיצה הגדולה של למידת מכונה, מחשבים מתקשים מאד לעשות דברים שילדים עושים בצורה מידית. זאת אומרת, המכונות האלה לא רק עובדות אחרת, הן גם עושות דברים אחרים. אנחנו לא התפתחנו כדי לחשב מספרים גדולים, נכון? התפתחנו כדי לזהות זנב של צ’יטה בין העלים בסוואנה

אז מה עדיף? חישוביות של מחשב או חשיבה נוירונית של מוח? והאם אנחנו באמת צריכים לבחור ביניהן, זה בהכרח או או?י

זו שאלה נהדרת. אז קודם כל בואי נחזור רגע לטכנולוגיה. מה שמנסים לעשות היום זה לבנות רכיבים אלקטרוניים שמחקים נוירונים. בגלל זה “נוירומורפי”, שיש לו צורה (מורפולוגיה) של נוירון. זה רכיב אלקטרוני, שכשמעבירים בו זרם חשמלי משתנה משהו במבנה הפנימי שלו. על ידי השינוי הזה אפשר להגיד מה הייתה ההיסטוריה, ושומרים זיכרון על הרכיב עצמו. ועכשיו, בחיבור עם רכיבים אחרים, אפשר ליצור יחסי גומלין, שמה שיקרה לרכיב מסוים תלוי במה קרה לו, ומה קרה לרכיבים לידו, ולנצל את זה לעשות מם קומפיוטינג. אין לנו רכיבים כאלה עדיין ברמה התעשייתית המסחרית, זה מאד מסובך ברמה הננומטרית (כי לא רוצים לעשות את זה גדול). אנחנו לא לגמרי יודעים איך המוח עושה את זה, אבל כבר היום אנחנו יכולים להשתמש במחשב רגיל כדי לייצר אמולטורים של רכיבים נוירומורפים, לעשות סימולציה לרכיבים כאלה על מחשב רגיל

והסימולציות האלה מראות באמת, שאם בונים נכון את אלגוריתם החישוב, אפשר לנצח מכונות טיורינג, בדיוק באלגוריתמים האלה שבהם החישוביות נהיית יותר מדי מסובכת. למשל, אלגוריתמים כמו סוכן-נוסע. יש לך סוכן, הוא צריך לעבור בכמה מקומות, וצריך לדעת מה הדרך הכי טובה לעשות את זה. איך עושים את זה אלגוריתמים רגילים? מנסים את כל הדרכים. היות ומספר הדרכים גדל אקספוננציאלית עם מספר הנקודות, אז זו בעיה מאד קשה, כי ככל שהמערכת נהיית יותר גדולה, צריך אקספוננציאלית יותר זמן. אלגוריתמים נוירומורפים באמת יכולים לעשות את זה בצורה הרבה יותר מהירה, החל מגודל מסוים הם מתחילים לנצח את האלגוריתמים הסטנדרטיים. זה כמו בנאדם שמשתמש באינטואיציה שלו

אפליקציה מאד יפה של מערכות נוירומורפיות היא פתרון של מבוכים. אם יש לך מבוך וצריך למצוא את הדרך הכי קצרה לצאת מהמבוך, אז למחשב רגיל זו בעיה אקספוננציאלית. אבל מחשב נוירומורפי מחשב במובן מסוים בבת אחת את כל הדרכים, ואז מחשב את זה עוד פעם ועוד פעם, ובגלל איזשהו אלמנט בצורת החישוב, הדרכים הארוכות נעלמות מהחישוב, והוא מוצא הרבה יותר מהר את הדרך לצאת. אלגוריתמים נוירומורפיים כבר יש לנו. כל הנושא של למידת מכונה הגיע מזה שאנשים ניסו להבין ולבנות מודלים ממוחשבים לאיך נשמר מידע במערכת נוירונים, ולאט לאט התחילו להבין שהמודלים האלה נורא טובים לפתרון של בעיות ספציפיות, למשל, לזהות פרצופים. עם מחשב רגיל, עם קוד סטנדרטי, זה מאד קשה, פשוט צריך לעבור על כל הפרצופים שיש לך, ולהשוות את הפרצוף הנמדד לכל הפרצופים האחרים. אבל קודים של למידת מכונה זה אלגוריתם שבמובן מסוים מחקה דרך פעולה של מערכות נוירונים, משם זה הגיע

אז יש לנו אפילו אלגוריתמים שיודעים לעשות את זה, אבל הם עדיין פועלים על מכונות טיורינג. פריצת הדרך תהיה כשהרכיבים הבסיסיים יהיו רכיבים נוירומורפיים, רכיבים שיש בהם גם קריאה, גם כתיבה, וגם זיכרון בילט אין במערכת. תראי, השאיפה היא לקחת נוירונים ולבנות מהם מחשב, אבל אנחנו לא יודעים לעשות את זה, כי נוירונים חיים בסביבה מאד מסובכת. אנחנו רוצים לשלוט על פעולת המחשב, ואנחנו לא יודעים איך אנחנו שולטים על הפעולה הנוירונאלית, מה עושה טריגר למה, זה מאד מסובך. זה שאנחנו יודעים לבודד נוירון אחד לא באמת עוזר לנו. הרבה יותר קל לנו לפתח רכיב מלאכותי שמתנהג כמו נוירון

הגישה השלישית היא המחשוב הקוונטי, שהוא גישה שונה ממכונת טיורינג וגם מהמוח האנושי

מה זה בגדול מחשב קוונטי? בשביל זה צריך לקחת טיפה צעד אחורה ולהיזכר מה זה מכאניקת הקוונטים. מכאניקת הקוונטים זה, אם תרצי, סט חוקי הטבע ששולט על מערכות שהן קטנות מאד וקרות מאד. אם אנחנו חושבים על המכניקה של ניוטון, הפיזיקה הקלאסית כמו שאנחנו מכירים אותה, היא בגדול מצטמצמת להבנה שאם אנחנו יודעים מהירות של חלקיק, מיקום שלו, את התאוצה שלו, ואת הכוחות שפועלים עליו, אנחנו יודעים עליו הכל. בגלל זה אנחנו יודעים לקלוע כדורים לסל בצורה מאד טובה, או לשלוח חלליות לירח. אבל מסתבר שכשמסתכלים על חלקיקים יסודיים, חלקיקים קטנים מאד – האלקטרונים, הפרוטונים, אפילו מולקולות אם הן קרות מספיק – אז זה לא עובד ככה. המכאניקה הקוונטית אומרת לנו שהמערכת לא נמצאת במצב שיש לו מהירות, מקום, תנע מסוים, תאוצה מסוימת, אלא כל מערכת בעצם דוגמת בצורה די מתוחכמת איזשהו מרחב אפשרויות. זה מאד קשה לדמיין את זה. האפשרויות האלה משתנות בזמן, זאת הדינמיקה של המערכת. הדינמיקה של המערכת נקבעת על ידי משוואה שנקראת משוואת שרדינגר, וכשאנחנו עושים מדידה, מתממשת אחת מהאפשרויות שהייתה זמינה לחלקיק הזה

הדוגמא שהכי קל לתת זו הדוגמא של ניסוי שני סדקים. לוקחים גל מים, זורקים אבן לבריכה, מעבירים אותה דרך שני סדקים. או אור שיורים על מסך דרך שני חתכים קטנים. מה שרואים על המסך מאחור זה לא שתי נקודות אור אלא פסים – פס אור פס חושך, פס אור פס חושך – מה שנקרא תמונת התאבכות, כי ככה גלים מתנהגים. כשגלים נפגשים, אם שניהם נפגשים כששניהם במקסימום, אז יש לך גל גבוה,  ואם הם נפגשים כשאחד במקסימום ואחד במינימום אז הגל נעלם, ובנקודה הזאת אין בכלל גל. אז גלים קלאסיים, גלי ים, עושים שני דברים. הם עושים התאבכות, והם פוגעים בחוף בבת אחת. מה קורה כשיש לך חלקיקים קלאסיים, כדורי סל, או כדורי רובה, או חלקיקי חול? הם נורים דרך שני סדקים, והמכאניקה הניוטונית אומרת לנו, אם חלקיק עבר דרך הסדק הוא ימשיך ישר, אין שום כוח שפוגע בו, אז דמיינו שתי ערימות חול מאחורי הסדקים. אז מה חלקיקים עושים? הם לא עושים התאבכות והם גם פוגעים אחד אחד במסך, קל לנו לדמיין את זה

אבל אם עושים את הניסוי הזה עם אלקטרונים, או אפילו עם מולקולות, רואים את המולקולות פוגעות במסך אחת אחת – יופי, חלקיקים. אבל כשעושים את הניסוי הרבה פעמים, ומסמנים איפה היו פגיעות, רואים תמונת התאבכות. ולכן זה ברור לחלוטין שהם לא חלקיקים ניוטוניים, כי הם עשו התאבכות, אבל הם גם לא גלים, כי ראינו אותם פוגעים במסך אחד אחד. ואת המוזרות הזאת, ועוד הרבה מאד מוזרויות שהטבע מספק לנו, עליהן המכאניקה הקוונטית עונה. ואיך זה מתקשר למחשוב? הסיבה שהמכאניקה הקוונטית נכנסת למשחק היא, שברגע שעושים רכיבים מאד מאד קטנים, הם עובדים לפי החוקים של המכאניקה הקוונטית. מרחב האפשרויות הזה זמין למערכת שלנו

למשל, ניקח אלקטרון או איזשהו אטום, נתקע אותו במלכודת, ועכשיו נחשוב על איזושהי דרגת חופש שנקראת ספין, הסיבוב הפנימי של המערכת (כמו הסיבוב של כדור הארץ סביב עצמו, גם חלקיקים קטנים עושים את זה), ואפשר לחשוב על סיבוב עם השעון ונגד השעון. אבל חלקיקים קוונטיים לא מסתובבים עם או נגד השעון, אלא הם מאכלסים מרחב אפשרויות. זאת אומרת, אני יכול לבנות חלקיק כזה, שיש לו גם אפשרות להסתובב עם השעון, גם אפשרות נגד השעון, ואני לא אדע עד שאני לא אמדוד. להסתובב ימינה ולהסתובב שמאלה, זה המקבילה ליכולת של הטרנזיסטור להיות אפס או אחד. אז עכשיו יש לי מן טרנזיסטור קוונטי, שאנחנו קוראים לו קיוביט, שהוא לא או אפס או אחד, אלא הוא נמצא במצב שאנחנו קוראים לו מצב חיבורי, או סופרפוזיציה בלשון מגדל השן, של גם להיות באפס וגם להיות באחד

כרמל: הוא החתול של שרדינגר

יוני: בדיוק! אגב, המצבים האלה הרבה פעמים בספרות נקראים “מצבי חתול”. עכשיו, רכיבים נוירומורפיים אולי לא יצטרכו לעשות את זה

?אז מה היתרון של מחשב קוונטי כזה, ומה הוא יוכל לאפשר לנו שסוג אחר של מחשב לא יכול

הרעיון הוא לחבר הרבה קיוביטים כאלה אחד לשני, ולעשות עליהם מניפולציה, שמתפשטת בין הקיוביטים קצת כמו שגלים מתפשטים בים. אז בעצם כל פעולה שנעשית היא באופן מאד אמיתי פעולה מקבילית. דבר שני, אפשר להשתמש בתופעת ההתאבכות. הרעיון הוא לעשות איזשהו חישוב, ולפתרונות הלא נכונים קורית התאבכות הורסת. ולכן כשנותנים למערכת להתפתח, בסוף כשמודדים, נמדד רק הפתרון הנכון, כי הוא זה שתרם להתאבכות בונה. זה רעיון מאד משונה אבל זה בגדול הקונספט. במכונות הקטנות האלה יש המון אינפורמציה: בניגוד לביטים קלאסיים, שכדי להגיד לי מה מצב המערכת שלך את צריכה לתת לי עשרה מספרים, מערכת עם עשרה קיוביטים יש לה שניים בחזקת עשר אפשרויות, ולכן את צריכה לתת לי את ההסתברות להיות בכל אפשרות. לכן שלושת הדברים האלה: היכולת לעשות התאבכות, היכולת להפעיל את המחשב הקוונטי מקבילית, ודחיסות המידע, מאפשרים לנו לעשות סוגים מסוימים של חשבונות יותר מהר ממחשב קלאסי

בואו נדבר תכלס על שני יישומים ידועים ונפוצים, שמחשב קוונטי ישנה ללא הכר

יש לנו היום שני אלגוריתמים קוונטיים שמדברים עליהם. אלגוריתם אחד זה אלגוריתם חיפוש, שמערכות קוונטיות כנראה יודעות לחפש יותר מהר מאלגוריתמים רגילים. עוד אלגוריתם מאד מפורסם וחשוב נקרא האלגוריתם של שור, שיודע לקחת מספר מאד גדול, ולהגיד מאיזה שני מספרים ראשוניים הוא מורכב. מספרים ראשוניים זה מספרים שמתחלקים רק בעצמם או באחד. אם אני לוקח שני מספרים – זה קל לייצר מספרים ראשוניים מאד גדולים, מחשבים יודעים לייצר אותם בקלות – מכפיל אותם, מקבל מספר גדול מאד, מספר עם מאה ספרות. ועכשיו אני שואל אותך, מאיזה שני מספרים ראשוניים המספר הזה מורכב? זו בעיה מאד מאד מאד קשה

?כרמל: אבל למה אני צריכה לפתור אותה

יוני: בגלל שכל אבטחת המידע ברשת מתבססת על העובדה הפשוטה הזאת. כל מערכת הצפנה, כל האלגוריתמים שהיום נקראים אר.אס.איי, עובדים על העובדה הפשוטה שיש לי מספר גדול מאד שמורכב משני מספרים ראשוניים, ואני לא יודע אף אחד מהמספרים הראשוניים. יש לי אלגוריתם לדעת את המספרים, זאת אומרת, עקרונית אני אוכל לפצח את האבטחה, אבל זה ייקח לי 28 מיליון שנה. הסיבה שכל העולם מתעניין במחשבים קוונטיים, זה בגלל האלגוריתם של שור והיכולת לפצח את האר.אס.איי, וזה כמובן מאד חשוב, זה גיים צ’יינג’ר גדול אם זה יצליח. נרגיע את המאזינות והמאזינים, אנחנו לא שם, הכל בסדר, אתם יכולים לעשות קניות

אבל אפשר לעשות עוד דברים עם מחשב קוונטי, שמאד קשה לעשות עם מחשב רגיל. למשל, לעשות סימולציה למערכות קוונטיות אחרות, למשל, למולקולות. אם אני רוצה לעשות סימולציה למולקולה על מחשב קלאסי, זה מאד קשה. כי מולקולה זה אוסף של אטומים ואלקטרונים, והם מתנהגים על פי חוקי המכאניקה הקוונטית, ואז אני צריך לעשות להם סימולציה על מחשב קלאסי, זה מאד מסובך. אבל אם יש לי רכיב קוונטי, אני אוכל לעשות סימולציה של מולקולות, ואחרי זה של פרוטאינים, ולמשל אולי של תרופות. אני אוכל לעשות סימולציה של הדברים האלה, דברים שהיום אין לנו שום דרך לעשות אותם בצורה יעילה ורלוונטית. זה פחות מעניין את הגופים הגדולים שמתעסקים עם זה, כמובן, הם מאד פוחדים מבעיית אבטחת המידע

אז הקונספט של הצפנה כיום בונה על זה שמחשבים מחשבים באופן איטי יחסית, והדבר הזה עומד להתבטל כשיהיו לנו מחשבים קוונטיים. אבל למרות הכתבות והמחקרים המבוהלים, שצופים שזה עניין של עוד שנתיים, פרופ’ דובי טוען שזה לא משהו שהולך לקרות בעשור הקרוב

למה אנחנו לא קונים מחשב קוונטי, למה אני לא יכול ללכת לחנות? צריך לשמור על זה מאד קר ומאד מבודד. למה זה צריך להיות קר? משהו שהוא חם, זה אומר שהוא מרגיש את הסביבה שלו. כי חום זה בעצם העברה של אנרגיה קינטית מהמערכת הקטנה שאת מסתכלת, לאיזושהי סביבה מאד גדולה. בחלל קר מאד, כי אין שם כלום, אין מערכת שתיתן לך חום. כשעובר חום למערכת, במובן מאד אמיתי המערכת החיצונית כל הזמן עושה מדידה על החתול הקטן של שרדינגר. כל עוד אנחנו לא מודדים, אז החתול הזה נמצא במצב המחובר הזה, אבל כל פעם שאנחנו מודדים הוא נמצא או במצב אפס או במצב אחד. אם המערכת כל הזמן מודדת, אז או שהוא נמצא באפס או שהוא נמצא באחד, ואנחנו מאבדים את היכולת להשתמש במצב המחובר הקוונטי הזה. וככל שהמערכת יותר חמה היא מודדת יותר מהר. לכן אנחנו רוצים מערכת שתהיה קרה, כדי לאפשר לחתול הקטן שלנו להישאר במצב הסופרפוזיציה, במצב הזה של גם אפס וגם אחד

הקיוביטים, הרכיבים הקטנים מאד, הם מאד מאד קטנים, והם נמצאים במקרר מאד גדול ומסובך. זאת אומרת, מקררים לטמפרטורה של הליום נוזלי, בערך מינוס 271 מעלות, ואז מקררים עוד קצת. המחשבים הקוונטיים של היום בעצם נראים כמו חדר במעבדה, אבל זה בסדר. תלכי שבעים שנה אחורה, תסתכלי על המחשבים הראשונים, זה גם נראה כמו חדר במעבדה, זה לא אומר שלא נצליח. אבל יש בעיות עקרוניות שאנחנו לא יודעים איך לפתור אותן. למשל, אנחנו לא יודעים איך לעשות סקייל אפ. זאת אומרת, המחשב הקוונטי הגדול ביותר שיש היום, יש בו בערך שבעים קיוביטים. כדי לייצר אלגוריתם שור רלוונטי צריך חמשת אלפים. אין לנו שום הבנה של איך להגדיל את המערכת הזאת, ועדיין לשמור עליה קרה. עוד בעיה, היא מה שנקרא בעיית תיקון השגיאות. כשעושים חישוב יש שגיאות טבעיות, ויש דרכים לתקן את השגיאות האלה. במחשבים רגילים תיקון שגיאות כבר קורה אוטומטית, את לא יודעת על זה, אבל זה אומר שאת צריכה תקורה למערכת, על כל כמה טרנזיסטורים יש לך טרנזיסטור שעוזר לתיקון השגיאות. מספר הטרנזיסטורים האלה הולך וקטן ככל שהמערכת גדלה, אבל במחשב קוונטי זה הפוך. מספר הקיוביטים שצריך לשמור על תיקון שגיאות הולך וגדל עם המערכת

זה לא אומר שלא יהיה מחשב קוונטי. יש שיגידו שכבר יש מחשבים קוונטיים, וזה נכון. יש לנו מעבדה שיש בה 49, לאינטל יש 49 קיוביטים, ליבמ יש (לא זוכר) 72 קיוביטים. זה בגדול מעבדות מחקר, אין שום אפליקציה רלוונטית שאפשר לעשות עם 70 קיוביטים. זה עוד לא טכנולוגיה, כי המעבר ממדע לטכנולוגיה הוא מאד מאד מסובך. אבל אנחנו חושבים על דרכים לעשות מן חיית ביניים בין מחשב נוירומורפי (או אם תרצי, בין אלגוריתמים של למידת מכונה) לבין מחשב קוונטי. זאת אומרת, לקחת מערכת חלקיקים קוונטיים, לשים אותה על רשת – זה אומר שחלקיקים יכולים ללכת אבל לא לכל מקום, הם לא חופשיים, הם יכולים ללכת מנקודות מסוימות לנקודות מסוימ ואנחנו יכולים לשלוט לאן הם הולכים – והצלחנו להראות שאפשר לעשות חישוב, שהוא אחד החישובים הבסיסיים של למידת מכונה, שזה מה שנקרא קלסיפיקציה (סיווג). מסתכלים על תמונה חתול, כלב, סוס, מכניסים תמונה של זה לאלגוריתמים שלך והוא אומר לך אם זה חתול, כלב או סוס

אנחנו יכולים לעשות את זה עם רשת קוונטית כזאת. אמנם עם אמולטור של מחשב רגיל, אבל לפחות קונספטואלית אפשר לבנות דבר כזה. היתרון הוא שזה מן מחשב קוונטי משונה כזה, אין בו קיוביטים. מכינים את המערכת, מקדדים את התמונה שלך לחלקיק קוונטי, לאיזושהי תכונה קוונטית, לאוסף האפשרויות המשונה הזה, ואז נותן למערכת להתקדם, והפתרון, כשמודדים את המערכת בצד השני של הרשת, יגיד לך אם זה כלב, חתול, או סוס. אבל חוקי הטבע שולטים על ההתקדמות של החלקיקים האלה. זאת אומרת, יש לך פה חומרה קוונטית, שתוכל לעשות פעילויות מאד מעניינות. זה ברמה אקדמית בלבד בשלב זה, אבל אני מקווה מאד שזה יתפוס, ושמישהו יעשה את הניסויים. זה לא ניסויים פשוטים, אבל הם לא מדע בדיוני


התחלנו מהצורך להמשיך או לעקוף את חוק מור, אבל בעצם אפשר להבין מהשיחה הזו, שהמחשוב בצורתו הנוכחית הגיע לנקודת הקצה שלו בכל מקרה. המהות של מחשב כמו שהכרנו אותה, מכונת טיורינג, עדיין יכולה לשרוד בעתיד אם נעבור מרכיבים מכאניים למולקולות, אבל צרכי העתיד דורשים לא רק מזעור ומהירות חישוב גבוהה יותר, אלא מודלים אחרים לגמרי של פעולה, כאלו שדומים יותר למוח האנושי, ומבצעים חישוב יותר אינטואיטיבי נקרא לזה, או מודלים קוונטיים שמחשבים בשיטת ההתאבכות ההורסת. אבל נראה שמהאפקט הקוונטי לא נוכל להתחמק באף אחד ממסלולי החישוב הללו. גם כי כאמור, החוקים הקוונטיים הם אלו ששולטים במערכות קטנות, ואנחנו כבר בעולם של המזערי, וגם כי יכול להיות שגם במערכות נוירוניות, כמו מוחות חיים, מתקיימים אפקטים קוונטיים. זאת ההשערה המרתקת שפרופ’ יונתן דובי בודק בימים אלה

האם אפקטים קוונטיים משפיעים על הפעילות הנוירונאלית? צריך לקחת צעד אחורה לתחום שנקרא ביולוגיה קוונטית, החיפוש אחר מערכות קוונטיות שמשתמשות במכניקה הקלאסית כדי לשפר איזשהו ביצוע. כבר בשנות הארבעים הסיקו שזה לא סביר שזה יקרה, כי מערכות קוונטיות צריכות להיות קטנות, קרות, ומבודדות, ומערכות ביולוגיות הן חמות, הן רטובות, יש הרבה דרגות חופש, ולכן זה לא סביר שזה יקרה. אבל בשנים האחרונות יש עדויות לכל מני מערכות ביולוגיות שיכול להיות שכן משתמשות באלמנטים ממכניקת הקוונטים. אז הדוגמא הראשונה שתפסה תאוצה היא מערכות פוטוסינתטיות, המנגנון שבו צמחים לוקחים אור שמש ומים, מייצרים סוכר, ופולטים פחמן דו חמצני לאטמוספרה וחמצן. מכונה מסובכת להפליא, זה מפעל כימי שיש בכל תא ירוק. והיו אינדיקציות ניסיוניות שיש במכונות האלה איזושהי קוהרנטיות קוונטית, זאת אומרת, איזשהו סימן להתאבכות. המסקנות שלנו הן שזה כנראה לא קורה, אבל לא נורא. את יודעת, זה רק אומר שאנחנו מבינים יותר טוב את המנגנון. להבין מנגנונים של משהו כמו פוטוסינתזה זה מאד חשוב. זה, אם תרצי, ה-מנגנון שאחראי לאיך שכדור הארץ נראה, ואם נדע לחקות אותו אולי נדע לשפר אותו. מסתבר, או לפחות יש השערות, שגם במוח שלנו יש מה שאנחנו קוראים לו קורלציות קוונטיות. זה מאד קשה לבדוק אבל יש זו אינדיקציות שזה קורה

כרמל: זה לגמרי וואט דה בליפ

יוני: לגמרי! הרעיון הוא, איך נוירונים מתקשרים אחד עם השני? העברה של אותות חשמליים. מה עושה טריגר לאותות החשמליים האלה? מעבר של יונים דרך משטח מגע בין שני נוירונים. היונים של הקלציום נושאים אתם מטען חשמלי, הם מצטברים על אחת הפאות של הנוירונים, זה נהיה כמו כבל כזה, ואז הכבל משתחרר ונוצרת ירייה. זו הירייה המפורסמת של הנוירונים. אבל מה אם היונים האלה של הקלציום מתואמים קוונטית עם יונים של קלציום שנמצאים בנוירון אחר? אם זה נכון, היריות עצמן יהיו מתואמות בעוד רמה. זאת אומרת, כבר לא יהיה תיאום רק ברמת האותות האלקטרוניים, אלא יהיה גם איזשהו תיאום ברמת על, שמווסתת את התיאום ברמת היריות. וזה מחקר שאנחנו עכשיו עושים, יש קבוצה מדהימה של נסיונאים בארה”ב, שמחפשים את הקורלציות הקוונטיות אלה בזוגות נוירונים בודדים

אם נצליח לראות תגובה כזאת, זה ייתן לנו הסברים אפשריים לתופעות מאד משונות, למשל, הרדמה. הרדמה זו תופעה שאנחנו לא מבינים אותה. נותנים לך לנשום איזה חומר, אתה סופר מאחד עד שש, בשבע אתה ישן. זו תופעה שלא תאומן, אנחנו לא מבינים איך היא קורית, אבל אנחנו כן מבינים שזה לא מה שהכימאים קוראים “מנעול ומפתח”. זאת אומרת, זה לא שיש איזושהי מולקולה שמתחברת כמו מפתח למקום שמחכה לה כמו מנעול. אנחנו משתמשים באיזוטופים שונים של אותו מרדים (איזוטופים זה שרק הגרעין משתנה אבל המבנה של המולקולה לא), ורואים שאיזוטופים שונים שונים של חומר כימי, חלק מהם מרדימים וחלק לא

עוד דוגמא שהיא לא תאומן זה ליתיום. יש לו פעילות מוחית, אנשים שיש להם, לא עלינו, הפרעות סכיזופרניות, מטופלים לפעמים בליתיום, כי זה משנה משהו בנוירו-טרנסמיטורים. מה זה משנה? אין לנו מושג. אבל אם את לוקחת את האיזוטופ הנדיר של ליתיום, הוא לא עושה כלום. זאת אומרת, יש כאן משהו שאנחנו לא מבינים, ויש סיכוי לא בלתי סביר שהוא קשור לקורלציות הקוונטיות בין הנוירונים. יש דוגמאות יותר אקזוטיות לביולוגיה קוונטית. למשל, יש ציפור שנקראת אדום החזה האירופי. היא כל חורף טסה מנורבגיה לצפון אפריקה, כל קיץ עושה את הכיוון ההפוך. ומה שמסתבר, רואים בניסוי, שהיא רואה עם העיניים שלה את השדה המגנטי של כדור הארץ, ולא יודעים איך היא עושה את זה. העין של אדום החזה (רד רובין) היא כדור, כמו העין של כל אחד, ומאחורה יש את המשטח שנקרא רטינה, משטח חצי כדור כזה, ושם מפוזרות מולקולות שנקראות קריפטוכרום (איזשהו פרוטאין ביולוגי), שכשמעירים אותו, מעוררים שני אלקטרונים. שני האלקטרונים האלה, אפשר לחשוב עליהם כמו שני קיוביטים שמדברים אחד עם השני. הם יכולים להיות בכל מני מצבים, ומה שקובע את המצבים האלה זה המכניקה הקוונטית

אבל מסתבר ששדה מגנטי יכול להעביר את הצמד קיוביטים האלה ממצב אחד למצב אחר. ולמה זה חשוב? אם הם עברו למצב אחר בנוכחות שדה מגנטי, תוך שמירה על התכונות הקוונטיות שלהם, הם יעשו כימיה, והם יגיבו עם משהו אחר שנמצא על הרטינה. והתגובה הזו תשחרר אלקטרון, תניע תהליך נוירונאלי, ויגיע סיגנל למוח. אני מסביר איך היא יודעת לאן לנדוד, כי היא רואה את השדה המגנטי (של כדור הארץ), יש לה עוד ראיה, משהו שאנחנו לא רואים. אנחנו לא רואים שדות מגנטיים ואדום החזה רואה אותם. שוב, זו רק השערה, יש לנו אינדיקציות שהיא נכונה, אבל זאת רק השערה. זו עוד דוגמא למערכת ביולוגית שמשתמשת במכאניקה הקוונטית

האפשרות שתהליך קוונטי מתרחש בתוך מערכת ביולוגית חמה ורטובה, עשוי להכיל רמז או מעקף בעתיד לאיך להיפטר מדרישת הקירור, שכיום מגבילה את הטכנולוגיה מלהיות בכל מחשב בייתי. אבל בינתיים יש יישומים טכנולוגיים מידיים יותר שזה יאפשר

אני מעורב טיפה בלנסות לייצר גלאים מגנטיים. גלאים מגנטיים יש לנו, אבל הרגישות שלהם מוגבלת, והרגישות של אדום החזה היא בערך פי מאה אלף יותר טובה מהגלאים הכי טובים שלנו

אז הבנו מדוע ואיך עתיד הטכנולוגיה שלנו הוא אורגאני, כימי, קוונטי, אבל לקראת סיום שאלתי את פרופ’ דובי כמה שאלות קצרות, שקשורות לנושא שהוא בדרך כלל מתבטא לגביו בתקשורת. בפרק 17 עם עפרי אילני דיברנו על המשבר האקולוגי החמור, ופרופ’ דובי מנהל קמפיין ציבורי שמתנגד לשיח המבהיל הזה של אוטוטו נכחדים. זה לא הנושא שלנו הפרק ואפשר לשמוע אותו מתבטא לגבי זה במגוון פודקאסטים אחרים וגם לקרוא את החומרים של הפורום לרציונליות סביבתית שהוא ממקימיו. אבל יוני מתמחה בננו אלקטרוניקה וחיקוי של הטבע באמצעות טכנולוגיה, הוא מבין במקורות אנרגיה. אז עניין אותי לשאול אותו שני דברים קצרים לסיום. הרי יש לנו חלום רומנטי וטבעי, שנוכל להפיק אנרגיה נגיד רק מהשמש, וכבר שמעתי מהרבה אנשים רציניים שזה לא באמת יהיה אפשרי. רציתי להבין יותר לעומק למה

קודם כל צריך להבין שפאנלים סולאריים יש להם מגבלות פיזיקליות. יש כמות סופית של הספק שאפשר לייצר בשטח נתון. למשל, כשמסתכלים על פאנל סולארי, חלק מהאנרגיה באמת מומר לחשמל, וחלק הופך לחום, בגלל שהאור שהשמש מביאה יש לו טווח תדרים מאד רחב, ואנחנו יכולים להשתמש רק בחלק קטן מזה, השאר הולך לאיבוד. ונגד זה אין מה לעשות, אפשר לשחק בשוליים עם כמה אפשר להגביר או להקטין את הנצילות, אבל בגדול זה מספר קבוע. זה דבר אחד. דבר שני, אנרגיה מהשמש היא מאד דלילה, זאת אומרת, מעט אנרגיה ליחידת שטח. וגם פה אין לנו מה לעשות, כי המקור הוא השמש. כשהצפיפות, ההספק (אנרגיה ליחידת שטח) היא מאד קטנה, גם צריך שטחים מאד נרחבים, וגם צריך המון חומר כדי לייצר. הדבר השלישי, עוד תופעה פיזיקלית שאין לנו מה לעשות אתה, היא שהשמש לא זורחת בלילה, אבל אנחנו צריכים חשמל בלילה. אי אפשר לאגור את זה, זה מאד קשה, גם בטריות הן מאד דלילות, ולכן אין לנו יכולת לאגור אנרגיה. הלוואי שהייתה, אבל אין לנו

אם אנחנו מדברים על אנרגיה ירוקה, אז גם אנרגיה גרעינית היא ירוקה, ובה פרופ’ דובי כן מאמין. אבל אתה יש אתגרים אחרים, והופתעתי לשמוע שדווקא בארץ הוא חושב שהיא פחות רלוונטית לנו בעתיד הקרוב

מדינות ענק משתמשות בכמויות אדירות של הספק ממקור גרעיני, נקי, בטוח, זמין, שאפשר להשתמש בו מתי שרוצים כדי להפיק כמויות אדירות של חשמל. יש קצת מגבלות הנדסיות, זאת אומרת, איך לעשות כורים יותר קטנים. אבל בעיות הנדסיות, בניגוד למגבלות פיזיקליות, טיבן להיפתר. אחת הבעיות העיקריות של אנרגיה גרעינית היא הקבילות הציבורית, אנשים פוחדים מזה מבלי לדעת. תחנות כוח גרעיניות הן לא דומות למערכות לשימושים צבאיים, הן אחרות והן דורשות ידע אחר. את הידע הזה בישראל אין בכלל. יש לנו בעיה קשה של תשתית ידע והיא לא תיפתר עוד הרבה שנים, כי אנחנו לא מייצרים מהנדסי גרעין. אבל צרפת, מעל 70 אחוז מהחשמל שלה הוא חשמל גרעיני, ארה”ב מעל 20 אחוז, שבדיה מעל 40 אחוז, צ’כיה 50 אחוז, מדינות ענק שמשתמשות באנרגיה גרעינית בצורה יומיומית. אנחנו יודעים שאפשר לעשות את זה, זה בגדול עניין של החלטה, כסף, ותכנון ארוך טווח

אבל ממה שהספקתי להתרשם מיוני דובי, הייתה לי תחושת בטן שיש לו פתרון אחר להפקת אנרגיה, ממקור חדש ואחר שלא חשבנו עליו. וצדקתי

יש לי אבל אני לא יכול לספר לכם. התשובה היא כן אבל זה בשלבים מאד מוקדמים

?כרמל: רמז

יוני: תראי, למשל, עולם הבטריות. לבטרייה יש זמן הטענה מאד ארוך, ודבר שני, כדי להטעין בטרייה צריך מקור חשמל. תחשבי על כפר נידח בניגריה, 3000 תושבים, מרוחק 150 ק”מ מתחנת הכוח או משהו כזה, לא שווה להוציא אליו קו חשמל. אז מה עושים היום? שמים פאנלים סולאריים ויש עוד בטריות קטנות שמישהו נתן להם, זה מספיק להם למעט מאד. אם רוצים לספק להם חשמל שיהיה גם בלילה, כדי שבית החולים המקומי יפעל או שבית הספר יעבוד גם בערב או מתנ”ס, צריך לשים פי חמישה פאנלים סולאריים, וכמות אדירה של בטריות, כדי להטעין בלילה. אבל דמייני לך בטרייה, מקור הספק חשמלי, שעובד על דלק. שבאים עם חבית גדולה של דלק, מכניסים אותו למנוע, שום דבר לא נשרף, הדלק כימי, אבל יש לך חשמל. נגמר הדלק, מוציאים את החבית, שמים חבית אחרת והולכים. אבל שום דבר לא נשרף. אז זה הכיוונים שאנחנו הולכים אליהם

אפשר לנחש שמדובר בדלק ממקור אורגני. כבר שמענו בעבר על דלק שמופק מאצות, אבל אולי הכמות שלהן לא מספיק גדולה, ויש לי תחושה שפרופ’ דובי מצא כאן מקור קצת יותר נפוץ ומפתיע. ימים יגידו

עד כאן להפעם, בזוג הפרקים הבאים בחודש פברואר, נדבר על עולמות הקריפטו והבלוקצ’יין. עד אז, מוזמנים ומוזמנות לתמוך בפודקאסט באמצעות דרוג של חמישה כוכבים בספוטיפיי ואפל פודקאסט, והמלצה עליו בכל הזדמנות. להשתמע

לכל הפרסומים האקדמיים של פרופ’ יונתן דובי

?רוצה לקבל מייל כשהפרק הבא מתפרסם

Published by Dr. Carmel Vaisman

חוקרת תרבות דיגיטלית עם מיקוד בשיח, תיאולוגיה ופוסט-אנושיות Digital Culture researcher focusing on discourse, theology and posthumanism

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: