המהפכה הקוונטית השנייה

הקוונטום עובר ממחקר בסיסי למערכות המציגות הוכחת התכנות שמעניינת את התעשייה, והאקדמיה הפכה לחלק מהתשתית עצמה, במטרה לתפוס מקום טוב בחזית התחום הקריטי לעתיד. האם ההבטחה תתממש?

המחשוב הקוונטי נתפס בשנים האחרונות כאחת ההבטחות הגדולות של עולם הטכנולוגיה. אבל מאחורי הכותרות על השקעות עתק וסטארטאפים חדשים, מתגלה תמונה מורכבת יותר.

התחום, שצמח מתוך מחקר בסיסי בפיזיקה, נמצא היום בנקודת מעבר – לא עוד מדע תיאורטי בלבד, אך גם לא טכנולוגיה בשלה. שלושה חוקרים מובילים, שכל אחד מהם פועל מגישה שונה, מציגים מבט מבפנים על המתח שבין הבטחה להוכחה, בין מעבדה למוצר ובין ידע אקדמי למדיניות לאומית.

פרופ' ניר דודזון מהמעבדה לפיזיקה קוונטית במכון ויצמן למדע עוסק כבר כ-30 שנה באטומים קרים ניטרליים – אטומים שמקוררים כמעט לאפס המוחלט ונלכדים באמצעות לייזרים, כך שניתן לשלוט בהם בדיוק גבוה.

"במשך שנים חקרנו את הפיזיקה של הקוונטום, אבל לא חשבנו שזה יהפוך לטכנולוגיה", הוא אומר, והעיסוק בתחום נחשב למחקר בסיסי. בשנים האחרונות חל שינוי: האטומים עצמם הפכו לאחת הפלטפורמות המרכזיות לבניית מחשבים קוונטיים. "בדיעבד, הבחירה שלי להתמקד באטומים קרים הייתה החלטה טובה מאוד", אומר פרופ' דודזון ומדגיש כי למרות העובדה שאין הכרעה ברורה בין הטכנולוגיות, יש כיום הסכמה רחבה שאטומים קרים הם מהגישות המובילות במרוץ.

את המגמה העולמית של מעבר פיזיקאים מהאקדמיה לתעשייה רואה פרופ' דודזון כשינוי שאינו טכנולוגי בלבד – אלא גם אנושי. "הידע נוצר באוניברסיטאות ולכן גם המעבר ליישום עובר דרך החוקרים ", הוא אומר, "אך המעורבות של פרופסורים אינה תופעה צדדית אלא תנאי כמעט הכרחי בשלב הנוכחי של התחום".

בישראל, מגמה זו בולטת במיוחד. בתוך שנים ספורות קמה כאן קבוצה משמעותית של חברות קוונטיות, בעיקר בתחום החומרה – בהיקף חריג ביחס לגודלה של המדינה. פרופ' דודזון מדגיש גם את פיזור התחומים: "ישראל פעילה כמעט בכל אחת מהטכנולוגיות המובילות, כך שאם כל אחת מהן תנצח – תהיה לנו נוכחות שם". לדבריו, פריסה רחבה זו אינה רק שאלה מדעית, אלא גם אסטרטגית: היכולת להישאר רלוונטיים בתחום שמוגדר מראש כקריטי לעתיד.

המעבר מהאקדמיה לתעשייה אינו תיאורטי עבור פרופ' דודזון. לאחר עשרות שנות מחקר בסיסי שבו היה שותף במאגד החיישנים הקוונטים, הוא נמנה עם מייסדי חברת Q-Factor, שמבקשת לפתח מחשב קוונטי מבוסס אטומים קרים. מבחינתו, זהו המשך ישיר של אותו מחקר. מתוך המקום הזה מתחדדת גם השאלה שמלווה את התחום כולו: האם מדובר בטכנולוגיה שנמצאת רגע לפני פריצה – או עדיין במאמץ מדעי שלא ברור מתי יתממש?

האם הוא רואה במחשוב קוונטי הבטחה ממשית?  "אני לא יכול להוכיח את זה, אבל מידת האמונה שלי גבוהה עד כדי כך שאני מהמר על הנכסים הכי יקרים העומדים לרשותי: זמן, ידע ואנרגיה", משיב פרופ' דודזון. "אני מאמין שאם ניקח את ההבנה הפיזיקלית שיש לנו היום ונשקיע בטכנולוגיה יש סיכוי לא רע שבעוד עשר שנים יהיה מחשב קוונטי עובד".

מעבר לפוטנציאל הטכנולוגי, פרופ' דודזון רואה במחשב קוונטי יעד מדעי בקנה מידה היסטורי. "העובדה שמחשב כזה יתקיים תלמד אותנו המון על פיזיקה", הוא אומר. "גם אם לא יהיו לו שימושים מעשיים – זה עדיין הישג אדיר". כמו הנחיתה על הירח, זהו מאמץ שמוגדר קודם כל על ידי עצם הפריצה.

כאן מתחדד הפער שמגדיר את השלב הנוכחי של התחום: אי אפשר להגיע לשם מתוך האקדמיה בלבד. "אם היה עליי לבנות מחשב קוונטי במכון וייצמן בעשר השנים הקרובות, הייתי מפסיד בוודאות בתחרות", מסביר פרופ' דודזון. הסיבה לכך מבנית: באקדמיה יש ידע, אך אין את המשאבים והיכולות הנדרשים כדי להפוך אותו למערכת עובדת בקנה מידה מלא.

המימון האקדמי מאפשר לדבריו מחקר בסיסי, אך רחוק מלהספיק לבניית מערכת שלמה. הפער בין המשאבים באקדמיה לבין אלה הנדרשים לפיתוח טכנולוגי משמעותי גדול, ולעיתים מגיע לסדרי גודל של פי עשרה ואף יותר. המשמעות היא שינוי מבני עמוק: הרעיונות נולדים באקדמיה, אך הפיתוח וההבשלה שלהם עוברים לתעשייה, והחברות יודעות לדחוף את הטכנולוגיה.

האם התחום נמצא עדיין בשלב מדעי או שכבר עבר לשלב טכנולוגי? התשובה, מבחינתו, מורכבת. "אני חושב שגם וגם. אין ספק שהמדע לא נגמר. ועדיין, הגבול בין מדע לטכנולוגיה אינו חד", הוא מוסיף. "גם בתוך החברות עצמן, מרכיב המחקר נותר משמעותי. מרבית העוסקים במחקר ופיתוח בתחום הקוונטי הם עדיין דוקטורים לפיזיקה – נתון שמעיד עד כמה התחום נשען על ידע מדעי עמוק. ומכיוון שההכשרה של פיזיקאי קוונטי היא תהליך הנמשך כעשר שנים ויותר, הגדלת כוח האדם לא מתרחשת במהירות הנדרשת".

רשות החדשנות מקדמת לדבריו את התחום בשני מישורים משלימים: מצד אחד, יצירת אקוסיסטם שמחבר בין אקדמיה לתעשייה, ולעיתים אף בין שחקנים מתחרים; ומצד שני, השקעה ישירה בחברות סטארטאפ, שמאפשרת להן לצמוח. "המימון של הרשות פועל כמכפיל כוח", מוסיף פרופ' דודזון. "על כל שקל ציבורי מגיעים כעשרה שקלים מהשוק הפרטי. בנוסף, ההשקעה מעודדת חברות לקום ולהישאר בישראל, גם בתחומים שבהם הפיתוי לפעול מחו"ל גבוה".

"יש כאן גם הייפ, אבל גם מגמה אמיתית. רואים את זה בתקציבים ממשלתיים, בהשקעות של רשות החדשנות, בתוכניות הלאומיות, במספר הסטודנטים שמגיעים ללמוד פיזיקה, ובהקמה של חברות חומרה ותוכנה קוונטית. ועדיין, למרות שהפיזיקאים המציאו את תורת הקוונטים ודחפו את הרעיון של מחשב קונטי, כדי שזה יהפוך לכלי שמגלה חומרים, פותר בעיות ותורם לאנושות צריך אלגוריתמים, תוכנות ואנשים שמבינים במחשבים.  

רוב החברות שקמו בשנים האחרונות לא יצליחו. אבל המעט שיצליחו  יהיו משמעותיות מאוד", אומר פרופ' דודזון בכנות.  במובן הזה, הוא רואה את ההשקעה הציבורית כהימור מחושב: סיכון גבוה לצד פוטנציאל גבוה. "התחום עדיין נשען על מחקר בסיסי עמוק וצפויים להופיע בו רעיונות חדשים ומשמעותיים גם בשנים הקרובות – הן מהאקדמיה והן מהחברות. עם זאת, לא  ניתן להסתמך על פריצות דרך מדעיות כעל מנוע יחיד להתקדמות, משום שהן אינן צפויות", הוא מסכם.

המחקר אינו עומד בפני עצמו

במעבדה לאופטיקה קוונטית באוניברסיטת תל אביב, פרופ' עדי אריה עוסק באחד התחומים הפחות אינטואיטיביים של הפיזיקה הקוונטית – אור. לא במובן המוכר של תאורה או לייזרים תעשייתיים, אלא שימוש בתכונות הקוונטיות של האור המורכב מפוטונים בודדים, שניתן לייצר, לשלוט בהם ולשזור ביניהם קשרים קוונטיים.

"רוב מקורות האור שאנחנו מכירים – לייזרים, לדים, פלורסנטים וכו' – לא רלוונטיים לשימושים קוונטיים", הוא מסביר. "בשימושים קוונטיים אנחנו צריכים אור מאוד מוגדר: פוטון בודד, או זוג פוטונים שזורים".

היכולת הזו דורשת תהליכים פיזיקליים מורכבים, כמו שימוש בגבישים לא-ליניאריים שמאפשרים לייצר זוגות של פוטונים שזורים מתוך קרן לייזר. זהו סוג של "הנדסת אור" – יצירה מבוקרת של מצבים קוונטיים שניתן להשתמש בהם להעברת מידע או למדידה מדויקת, ולעיתים גם לשילוב בתוך מערכות טכנולוגיות רחבות יותר. העבודה של פרופ' אריה לא נשארה ברמת המחקר. חלקה כבר מתקרב ליישומים, ובמקרים מסוימים אף בא לידי ביטוי במערכות שנמצאות בשימוש.

אחד התחומים הבולטים בכך הוא תקשורת קוונטית, ובפרט בשיטה שמאפשרת להעביר מפתחות הצפנה באופן שמבטיח שאפשר לזהות אם מישהו ניסה להאזין לתקשורת. "יש כבר חברות בתחום", מציין פרופ' אריה, "ויש מערכות שנמצאות בשימוש, אם כי מדובר בפתרונות שמיושמים כיום בעיקר בתרחישים מסוימים, ולא בטכנולוגיה רחבה ונפוצה בכל סביבה".

בבסיס היכולת הזו עומדת שליטה בפוטונים בודדים או שזורים. בקבוצה של פרופ' אריה פותחו שיטות לייצר פוטונים שזורים ולנצל אותם להעברת מידע, בין היתר באמצעות הקידוד המרחבי של האור. אלומת אור יכולה לקבל צורות שונות – עיגול, טבעת או מבנים מורכבים יותר, וכל צורה כזו יכולה לשאת מידע, ובכך להגדיל את קיבולת המידע ואת היכולת לשלוט בו.

העבודה הזו אינה מוגבלת לתנאי מעבדה בלבד. באחד הניסויים נבנתה מערכת שמייצרת פוטונים שזורים ושולחת אותם באטמוספירה למרחק של כ-90 מטר. המטרה הייתה לבחון את השפעת התנאים האטמוספריים על האות, כשלב ראשון בדרך לניסויים במרחקים גדולים יותר, כולל שימושים אפשריים מול רחפנים ואף לוויינים, שבהם תנאי הסביבה מורכבים בהרבה.

לאחרונה הראתה הקבוצה שלו תוצאה שממחישה יכולות  לשפר את הרגישות של מדידות פיזיקליות בצורה משמעותית על ידי שימוש בתכונות הקוונטיות של האור. עם זאת, הוא מדגיש שהפער בין ניסוי למוצר עדיין קיים. "המערכות עדיין גדולות, מורכבות ולעיתים רגישות מאוד לסביבה, והמעבר ליישומים ידרוש מיזעור, ייצוב והתאמה לתנאים שאינם מבוקרים".

חלק משמעותי מהפעילות מתבצע במסגרת שיתופי פעולה עם התעשייה, בין היתר בתמיכת רשות החדשנות. במסגרת מאגדים ותוכניות כמו מחקר בתעשייה למסחור ידע מהאקדמיה, חוקרים וחברות עובדים יחד על פיתוחים ממוקדים – לעיתים סביב טכנולוגיה קיימת שמותאמת לצרכים יישומיים ברורים.

שיתופי פעולה מסוג זה מתקיימים בין היתרעם חברות תעשייתיות שמבקשות לבחון כיצד ניתן לשלב את היכולות הקוונטיות בתוך מערכות קיימות, ולא רק לפתח טכנולוגיות חדשות מאפס. כך נוצרת סביבה שבה המחקר האקדמי אינו עומד בפני עצמו, אלא נבחן כל הזמן מול שאלות של שימוש, יישום וערך.

בדרך זו, ניתן למשל לקחת טכנולוגיות שפותחו באקדמיה,  כמו שימוש בגבישים לא-ליניאריים ליצירת פוטונים שזורים, ולבחון כיצד הן משתלבות ביישומים תעשייתיים. התמונה שמתקבלת אינה של מעבר חד ממדע לטכנולוגיה, אלא של תהליך מדורג, שבו מחקר בסיסי ממשיך להתפתח במקביל לניסיונות ליישם אותו בפועל.

משהו מהותי צריך להשתנות

"תחום הקוונטום מושך בשנים האחרונות תשומת לב גוברת  וגם השקעות משמעותיות", אומר פרופ' אריה, "אך בעוד שבתקשורת קוונטים וחיישנים כבר קיימים יישומים ראשונים, ואף מערכות בשימוש, במחשוב הקוונטי חובת ההוכחה עדיין פתוחה, והתוצאות המשמעותיות עוד לפנינו. יש גישות שונות למימוש של מעבד קוונטי –  יונים לכודים, אטומים קרים, מערכות על-מוליכות, אופטיקה. קרוב לוודאי שלא כולן ישרדו, אבל ייתכן שאחת או שתיים מהן יהיו אלו שיובילו בסופו של דבר.

האתגר אינו רק טכנולוגי, אלא גם כמותי. כיום, מערכות קוונטיות מתקדמות פועלות עם סדר גודל של מאה קיוביטים, בעוד שההערכות מדברות על צורך בסדר גודל של מיליון קיוביטים כדי להגיע ליכולת חישובית משמעותית באמת, וקצב הגידול אינו מספיק", הוא מסביר. "אנחנו עדיין רחוקים מאוד מהיעד וכדי שהקצב יואץ משהו מהותי צריך להשתנות".

ובכל זאת, הוא אינו מבטל את הפוטנציאל. "יש כאן הבטחה מאוד גדולה", הוא אומר. "אם נצליח לבנות מחשב כזה, הוא יוכל לפתור בעיות שמחשבים קלאסיים לא יכולים להתמודד איתן בתחומים כמו פיתוח תרופות, פיננסים ואופטימיזציה". במקביל מדגיש פרופ' אריה את ההבדלים בין התחומים השונים בקוונטום – "במחשוב זה עדיין בגדר עתיד", הוא אומר, אבל בתחומים אחרים כבר רואים תוצאות, גם אם הן עדיין לא בשלות לחלוטין לשימוש רחב".

אחד האתגרים המרכזיים בדרך לשם הוא המעבר ממעבדה למוצר. "באוניברסיטה די לנו שהמערכת עובדת בתנאים מבוקרים", הוא מסביר. "אבל מוצר צריך להיות קטן, יציב, ולעבוד בסביבה אמיתית. זה כבר אתגר הנדסי לא פשוט".

גם שאלת הבשלות הכלכלית אינה מובנת מאליה. "כדי שטכנולוגיה תצא מהאקדמיה, צריך שיהיה לה שוק", מסביר פרופ' אריה. "צריך שיהיו לקוחות שמוכנים לשלם עליה. זה לא תמיד קורה מייד".

בהקשר הזה, שיתופי פעולה בין אקדמיה לתעשייה ממלאים תפקיד מרכזי. "התוכניות הקיימות – מאגדים ומחקר בתעשייה למסחור ידע מהאקדמיה – הן ערוצים טובים", הוא אומר. "הן מאפשרות לחבר בין טכנולוגיה שפותחה באקדמיה לבין צורך אמיתי בתעשייה, ולבדוק האם היא באמת יכולה להפוך למוצר".

עם זאת, פרופ' אריה מצביע גם על פער נוסף – פער ידע. לדבריו, הרבה מהמהנדסים בתעשייה למדו לפני עשר או עשרים שנה, והתחום השתנה מאוד מאז, ועל מנת שהטכנולוגיה תתקדם, זהו פער שחייבים להשלים.

האם המרדף אחר יישומים בא לדעתו על חשבון המחקר הבסיסי? "תורת הקוונטים עצמה, פותחה לפני כמאה שנה – ורק בעשורים האחרונים החלה לחלחל ליישומים רחבים", הוא משיב, "ואנחנו נמצאים בתקופה המכונה 'המהפכה הקוונטית השנייה' – שלב שבו לא רק משתמשים בתופעות קוונטיות, אלא בונים מערכות שלמות שפועלות על פיהן.

תהליך זה מדגיש לדבריו דווקא את הקשר ההדוק בין מחקר בסיסי ליישום. מה שהתחיל כרעיון תאורטי לחלוטין, הופך בהדרגה לתשתית טכנולוגית.

הנדסה של עולם אחר לגמרי

פרופ' נדב כץ מהאוניברסיטה העברית עוסק בנקודת המפגש בין מחקר תיאורטי עמוק לבין ניסיון לבנות מערכת קוונטית עובדת. הוא מדגיש כי המחשוב הקוונטי נשען באופן הדוק על מחקר אקדמי: בניגוד לעולמות תוכנה אחרים, כאן האלגוריתמיקה, המודלים וההבנה התאורטית קודמים לכל מוצר.

"כאקדמאי אני מאוד מודע להייפ סביב הקוונטום", אומר פרופ' כץ. "מצד אחד זה מאוד מסעיר, מצד שני, אפליקציה שעובדת על מחשבים קוונטיים מצריכה עבודה הנדסית עמוקה וממושכת. חייבים לזכור שבלי מחקר בסיסי אי אפשר להתקדם. חשוב להשקיע כסף במיזמים תעשייתים, אבל צריך לטפח גם את ההון האנושי, את המעבדות ואת האפשרות לחקור כיוונים חדשים – כאלה שאולי יבשילו בעוד עשור”.

פרופ' כץ לא מסתפק בתיאוריה. לקראת סוף 2024 הוא הקים, יחד עם אלתא והאוניברסיטה העברית, את חברת הסטארטאפ קרקל ,(Qarakal) שבנתה מחשב קוונטי עובד – מערכת שעליה ניתן להריץ חישובים ולקבל תוצאות בפועל, גם אם עדיין לא ברמה של ערך מסחרי מובהק. הקיוביטים של היום משופרים לדבריו פי אלף עד פי עשרת אלפים לעומת אלה שהיו לפני פחות מעשרים שנה, וכבר ניתן לראות אפליקציות ראשונות למה שנראה עד לא מזמן בלתי אפשרי.

במקום להתמקד בהגדלה מתמדת של מספר הקיוביטים, נקודת המוצא של קרקל היא הארכיטקטורה של המחשב כולו, כך שניתן להרכיב ביצועים לאפליקציה מלאה ולתכנן את המערכת בהתאם.

בפועל, המשמעות היא עבודה משולבת של צוותים שונים – אלגוריתמיקה, ארכיטקטורה, פיתוח שבבים, מדידות ובקרה – שפועלים יחד ובצמידות גבוהה. לדברי פרופ' כץ, דווקא המבנה של חברה קטנה יחסית מאפשר יעילות שקשה להשיג בארגונים גדולים יותר, גם כאשר עומדים לרשותם משאבים משמעותיים.

"המחשב הקוונטי רחוקה מהדימוי של מחשב אישי, אומר פרופ' כץ. הוא דומה יותר לחוות מחשוב-על מאשר ללפטופ. המערכת מבוססת על מעגלים על-מוליכים, שדורשים ייצור נקי ומדויק, קירור לטמפרטורות קיצוניות ואלקטרוניקה ייעודית למדידה ובקרה. "זו לא הנדסה של מחשב רגיל", הוא מדגיש, "אלא הנדסה של ארכיטקטורה חדשה".

פרופ' כץ מעריך כי בתוך כשלוש שנים מערכות קוונטיות בישראל ובעולם  יגיעו לרמה של תיקון שגיאות שתאפשר הרצה של חישובים עמוקים ובעלי ערך יישומי מובהק.

היישומים הראשונים צפויים לדבריו להופיע בתחומים כמו אופטימיזציה ולוגיסטיקה, סימולציות קוונטיות וזיהוי תבניות במערכות רפואיות. עם זאת, הוא מדגיש: "קוונטום זה לא פתרון קסם. לכל בעיה צריך אלגוריתם קוונטי קונקרטי מותאם וארכיטקטורה מתאימה. יש משפחה מעניינת של בעיות שמחשבים קוונטיים יכולים לפתור, ומחשבים רגילים לא מתחילים אפילו להתמודד איתן".

המעבדה והחברה מזינות זו את זו

קרקל פועלת בקמפוס האוניברסיטה העברית, במעבדה משותפת שנבנתה כחלק מהסכם היסוד של החברה. עבור פרופ' כץ, הקרבה הזו היא יתרון אסטרטגי. הנגישות להון אנושי, האפשרות לשתף פעולה עם חוקרים נוספים והחשיפה לרעיונות חדשים הופכות את האקדמיה לחלק מהמודל העסקי.

הקשר הוא דו-כיווני: המחקר הבסיסי מזין את החברה בכיוונים חדשים ובאנשים מצוינים, ואילו החברה מחזירה למעבדה שאלות מעשיות ומשאבים שאקדמיה לבדה מתקשה לגייס.

לדבריו, החסם המרכזי במעבר ידע מהאקדמיה לתעשייה אינו רק מימון או בירוקרטיה, אלא גם גורמים אנושיים יותר – רצון, יוזמה ויכולת ניהולית. "כשיש לחוקרים רצון ופוקוס, יש להם גם את האמצעים", הוא אומר.

קרקל לא פועלת בחלל ריק. היא חלק מתוכנית הקוונטום הלאומית שגובשה בישראל בשנים האחרונות, שמבקשת לתאם בין מחקר אקדמי, מימון ממשלתי ופיתוח תעשייתי. פרופ' כץ עצמו היה מעורב בגיבוש התוכנית, ומשמש מאז 2018 כנציג הקהילה הקוונטית הישראלית בפרויקט הדגל האירופי בתחום.

החברה שותפה גם במאגד של רשות החדשנות, שבמסגרתו נבנה המחשב הקוונטי העובד. "כל הרעיון של תוכנית לאומית", הוא אומר, "הוא שהערוצים השונים – רשות החדשנות, מפא"ת, הקרן הלאומית למדע – ידברו בשפה אחת.

ובכל זאת, פרופ' כץ מזהיר מוויתור על הבסיס: "בלי מחקר בסיסי אי אפשר להתקדם. אי אפשר רק להשקיע כסף במיזמים תעשייתיים. צריך לטפח את ההון האנושי, את המעבדות ואת האפשרות לחקור כיוונים חדשים – כאלה שאולי רק בעוד עשרות שנים יהפכו למשהו משמעותי”.

הקוונטום כבר אינו רק תחום מחקר אקדמי, אך הוא גם עדיין לא טכנולוגיה בשלה. הוא מתקיים במרחב ביניים – כזה שבו רעיונות מדעיים עמוקים מתורגמים בהדרגה למערכות ניסיוניות, חברות מוקמות סביבם ומדיניות ציבורית מנסה להאיץ את המעבר ביניהם.

שלושת החוקרים מצביעים כל אחד מזווית אחרת על אותה תנועה: לא פריצה אחת גדולה, אלא תהליך מצטבר של הבשלה. השאלה אינה רק מתי יגיע המחשב הקוונטי, אלא כיצד ייראה העולם שבו הוא יפעל – ועד כמה נהיה מוכנים אליו כשהוא יגיע.