איך מתקשרים עם מחשב רועש? 

שתי חברות ישראליות מנסות להפוך תוכנה קוונטית ממערכת שברירית לכלי עבודה – ולהפיק ממנו תוצאה שאפשר לסמוך עליה. הדיוק כבר אפשרי – אבל הוא לא תכונה של המחשב, אלא של הדרך לעבוד אתו 

מקובל לחשוב שהאתגר המרכזי במחשוב קוונטי הוא לבנות מחשבים בעלי כושר עיבוד חזק יותר, העדיף על המחשב קלאסי. בפועל, קיימים אתגרים נוספים: גם כשמחשב קוונטי חזק כבר קיים, קשה מאוד לגרום לו לעבוד באופן שימושי. הפער בין יכולת חישוב תיאורטית לבין שימוש אינו נובע רק ממגבלות החומרה, אלא גם משכבת תוכנה שעדיין אינה בשלה – כזו שאמורה להפוך מערכת פיזיקלית מורכבת ושברירית לכלי עבודה. 

שתי חברות ישראליות Classiq ו-Qedma מתמודדות עם האתגר משני כיוונים שונים: Classiq מפתחת שכבות הפשטה שמרחיקות את המפתח מהמורכבות הפיזיקלית של החומרה, בעוד Qedma מתמקדת בשגיאות המובנות במערכות קוונטיות, כדי להפיק מהן תוצאות אמינות יותר. הגישות שונות, אך שתיהן מכוונות לאותה מטרה: להפוך בעזרת פתרון מבוסס תוכנה, את  יכולת החישוב של מעבד טכנולוגי קוונטי לכלי עבודה ממשי, ללא תלות בגישה הטכנולוגית שעל בסיסה הוא פותח.   

להתרחק מהפיזיקה 

Classiq מתמקדת בהעלאת רמת ההפשטה של הפיתוח הקוונטי – לא כבחירה נוחה, אלא כהכרח. "בעת הקמת החברה הבנו שהחומרה מתקדמת מהר, אבל פשוט אין תוכנה", אומר ניר מינרבי, מנכ"ל וממייסדי החברה. "כל שכבות התוכנה שאנחנו מכירים – מערכות הפעלה, קומפיילרים (תוכנות שמתרגמות קוד להוראות שהמחשב מבצע) ושפות פיתוח – לא קיימות במחשוב קוונטי". 

במובן הזה, נקודת המוצא של Classiq אינה שיפור ביצועים, אלא בניית שכבה שלא קיימת כלל. "אנחנו מפתחים את מערכת ההפעלה וסביבת הפיתוח למחשבים קוונטיים", מסביר מינרבי. "פלטפורמה שמאפשרת לפתח אפליקציות בלי להיות מומחה לפיזיקה קוונטית". 

שלבי העבודה בפלטפורמת Classiq – ממידול הבעיה ועד ניתוח המעגל הקוונטי

"הקמנו את החברה כי הבנו שהחומרה מתקדמת מהר והתחום תחרותי, אבל אין תוכנה שמאפשרת לתכנת את המחשבים האלה", הוא מוסיף, "ובתקווה שאולי יום אחד נהיה ה'מיקרוסופט' של המחשב הקוונטי", הוא מציין בחיוך. 

הבחירה להתמקד בתוכנה אינה מקרית. בעולם שבו מתחרות מספר גישות חומרה – יונים לכודים, אטומים או פוטונים – כל השקעה בפלטפורמה ספציפית היא הימור. תוכנה, לעומת זאת, מאפשרת להישאר מעל המרוץ. "זה הימור על התחום כולו, לא על טכנולוגיה אחת", אומר מינרבי. 

כדי להבין את המשמעות, צריך לחזור רגע אחורה. בעולם המחשוב הקלאסי, המעבר משפת מכונה לשפות תכנות ומערכות הפעלה הוא שאפשר את פריצת הדרך. במחשוב קוונטי, התחום עדיין נמצא בשלב מוקדם בהרבה. "אנחנו נמצאים ברמת אבסטרקציה שתואמת כרטיסיות ניקוב בשנות ה-70", טוען מינרבי, "והמטרה היא להגיע למצב שבו אפשר פשוט לבטא את הבעיה ולתת לאוטומציה לעשות את השאר". 

בפועל, המשמעות היא שינוי עמוק באופן הפיתוח. במקום לבנות מעגל קוונטי צעד אחר צעד, המפתח מגדיר את הבעיה ברמה גבוהה יותר והמכונה משלימה את הפער. מאחורי הקלעים פועל קומפיילר קוונטי – תוכנה שמתרגמת את האלגוריתם להוראות שהמחשב יודע לבצע בפועל, ולעיתים גם קובעת כיצד לגשת אל המעגל הקוונטי, תוך אופטימיזציה של משאבים כמו מספר קיוביטים וזמן ריצה. 

הניתוק בין הקוד לחומרה הוא קריטי. אותה אפליקציה יכולה לרוץ על מערכות שונות לחלוטין, בלי שהמפתח יידרש להבין אם היא ממומשת דרך יונים, אטומים או פוטונים. "כמו שלא באמת אכפת לך באיזה דגם של מטוס תגיעי ליעד כל עוד תגיעי בזמן", אומר מינרבי. "מה שחשוב הוא היעד והאילוצים. התוכנה דואגת לשאר". 

הגישה הזו משנה גם את קהל היעד. אם בעבר הפיתוח הקוונטי היה שמור לפיזיקאים, היום הוא נפתח למומחי דומיין מתחומים שונים. "הרבה מהלקוחות שלנו לא מגיעים מעולם הקוונטום", אומר מינרבי, "אלא מביאים את הידע שלהם ולומדים תוך כדי עבודה להשתמש בכלים". 

הערך של הגישה הזו אינו מסתכם רק בנוחות הפיתוח, אלא גם ביכולת להתמודד עם מגבלות החומרה הקיימת. מערכות קוונטיות עדיין רועשות ומוגבלות, ולכן הדרך שבה האלגוריתם נבנה משפיעה באופן ישיר על האפשרות להריץ אותו בפועל. במקרים מסוימים, התוכנה היא זו שמאפשרת לחצות את הסף שבו חישוב קוונטי הופך מרעיון תיאורטי לניסוי עובד. התוכנה אינה מחליפה את מגבלות החומרה, אך היא יכולה לדחוף אותן קדימה. “התוכנה עוזרת בדיוק במקומות שבהם החומרה כבר קרובה, אבל עדיין לא מספיקה”, אומר מינרבי.  

מאחורי הקלעים, הפלטפורמה של Classiq מבצעת אופטימיזציה של משאבים כמו מספר הקיוביטים, עומק המעגל וזמן הריצה. מדובר בפרמטרים קריטיים בעולם שבו כל קיוביט וכל פעולת חישוב הם משאב מוגבל. ההבדל בין מימוש לא יעיל ליעיל יכול להיות דרמטי. “אותה אפליקציה יכולה לדרוש מאות אלפי קיוביטים, או לרוץ על כמה אלפים בלבד, אם יודעים לייעל אותה נכון”, אומר מינרבי. המשמעות היא שתוכנה אינה רק שכבת תיווך, אלא כלי שמאפשר למצות טוב יותר את החומרה הקיימת. 

היכולת הזו משנה גם את האופן שבו ארגונים ניגשים לתחום. אם בעבר פיתוח קוונטי דרש מומחיות עמוקה בפיזיקה, הרי שכיום ניתן להתחיל מנקודת מוצא שונה לחלוטין. לקוחות החברה כוללים ארגונים מתחומים מגוונים – תעשייה, פיננסים, בריאות ותעופה – שחלקם לא החזיקו קודם לכן בידע קוונטי כלל. “קודם הם פשוט לא יכלו לעשות את זה”, אומר מינרבי. “היום הם יכולים להתחיל לפתח, עם המומחים שיש להם”. 

דוגמה לכך ניתן למצוא בפעילות של Comcast, ענקית תקשורת אמריקאית, שנכנסה לעולם הקוונטי דרך הפלטפורמה של .Classiq במקום לבנות צוות פיזיקאים ייעודי, החברה נשענה על מומחי הדומיין שלה, והחלה לפתח אפליקציות קוונטיות באמצעות הכלים הקיימים. מקרה זה אינו יוצא דופן, הוא מייצג מגמה רחבה יותר של מעבר ממחקר ניסיוני לעבודה יישומית. 

לצד הפיתוח הטכנולוגי, מינרבי מדגיש את תפקידה של רשות החדשנות בעיצוב התחום בישראל. “פעם חשבתי על הרשות כגוף שמסייע לחברות”, הוא אומר, “אבל בפועל היא שותף אסטרטגי”. לדבריו, התרומה אינה מתמצה במימון, אלא באופן שבו הוא משולב במסגרת רחבה יותר של בניית אקו-סיסטם. “על כל שקל שהרשות השקיעה בנו, הצלחנו להביא עשרות שקלים מבחוץ”, הוא אומר, “אבל זה לא רק הכסף – זה הגב, ההכרה, והיכולת לפעול כחלק מתוכנית לאומית”. 

המעורבות הזו באה לידי ביטוי גם בשיתופי פעולה בין-לאומיים, חיבורים בין תעשייה לאקדמיה, והשקעה בהקמת תשתיות מחקר ופיתוח. במובן הזה, רשות החדשנות פועלת לא רק כגורם מממן, אלא כגורם שמייצר תנאים לצמיחה של תחום שלם. 

במבט קדימה, מינרבי טוען כי בניגוד לתחומים אחרים שבהם פריצות דרך דרמטיות משנות את כללי המשחק, כאן מדובר בתהליך מצטבר. "בתוכנה, לא צריך בשלב הזה פריצת דרך אחת גדולה", הוא אומר. "צריך הרבה מאוד הנדסה – שכבה על גבי שכבה”. 

עם זאת, הוא אינו פוסל אפשרות להתקדמות משמעותית ביכולת של המחשב הקוונטי לבצע משימות שמחשבים קלאסיים מתקשים להתמודד איתן, במיוחד בעזרת תיקון שגיאות, מה שעשוי לקצר את הדרך לשימושים רחבים." כך או כך, הכיוון ברור: יותר הפשטה, יותר אוטומציה, ויותר חיבור בין עולמות קלאסיים לקוונטיים. 

בשלב הנוכחי של המחשוב הקוונטי, שבו החומרה עדיין מתפתחת והיישומים עוד מוגבלים, התוכנה הופכת לגורם שמתווך בין פוטנציאל למציאות. לא כפתרון מלא, אלא כשלב הכרחי בדרך לשם. 

שגיאות כחלק מהבסיס הפיזיקלי  

חברת Qedma יוצאת מנקודת הנחה שונה: היא מניחה שהמפתח שיגרום למחשב לעבוד באופן מעשי יגיע משכבת התוכנה, אשר תתמודד עם אחת הבעיות המרכזיות של מחשוב קוונטי: שגיאות חישוב. 

בניגוד למחשבים קלאסיים, שבהם ניתן לזהות ולתקן שגיאות בצורה יחסית פשוטה, במחשבים קוונטיים עצם המדידה משנה את מצב המערכת. המשמעות היא שלא ניתן "להציץ" פנימה בלי לפגוע בחישוב עצמו, ולכן תיקון שגיאות הופך לאתגר מורכב במיוחד. בנוסף, המערכות עצמן רגישות מאוד להפרעות – מאינטראקציות בין קיוביטים ועד להשפעות סביבתיות. 

במובן הזה, בניגוד למחשוב קלאסי השגיאות אינן ניתנות לתיקון בצורה פשוטה ביותר, ולכן נדרש לשם כך פתרון יסודי ומשמעותי. כל פעולה נושאת עמה אי-ודאות מסוימת, והצטברות של פעולות עלולה להוביל לשגיאה מצטברת היוצרת סטייה מרמת הדיוק הרצויה. האתגר אינו לתקן שגיאה בודדת, אלא לנהל מערכת שלמה שפועלת בתנאי אי-יציבות. זו נקודת המוצא של Qedma, המפתחת תוכנה שמאפשרת להריץ אלגוריתמים גם כאשר החומרה רחוקה משלמות. 

מימין: פרופ' דורית אהרונוב, מדענית ראשית ומייסדת שותפה; אסיף סיני, מנכ"ל ומייסד שותף; נתנאל לינדנר, סמנכ"ל טכנולוגיות (CTO) ומייסד שותף

במצב כיום, הבעיה אינה רק ירידה בביצועים עם העלייה בסך יחידות העיבוד, אלא חוסר ודאות מובנה: לא תמיד ברור עד כמה אפשר לסמוך על הפלט. "שגיאות הן חלק מהבסיס הפיזיקלי של המערכת”, אומר ד"ר אסיף סיני, מייסד שותף ומנכ"ל החברה. במחשב קלאסי אפשר למדוד ולתקן אותן, אבל במחשב קוונטי עצם המדידה פוגעת בהרצה של האלגוריתם. מכאן נגזרת גישה שונה מזו המקובלת בעולמות מחשוב אחרים. "התיקון" של השגיאות הופך לפעולה מורכבת "ולכן אנחנו לומדים את המנגנונים הפיזיקליים שגורמים לשגיאות, ומתאימים את האלגוריתם כך שיתחשב בהם", מסביר ד"ר סיני.

התאמה זו מתבצעת ברמה סטטיסטית. הרעש אינו נתפס כהפרעה מקרית בלבד, אלא כתבנית שניתן לאפיין. המערכת לומדת כיצד המחשב נוטה לסטות, ומשקללת זאת כבר בתוך החישוב עצמו. לעיתים מדובר בממוצעים חכמים, הדורשים גם התאמה של מבנה האלגוריתם. "בסוף אנחנו מאפשרים להריץ אלגוריתמים עם רמת אמינות גבוהה ביותר", אומר ד"ר סיני. 

הטכנולוגיה של Qedma פועלת בכמה שכבות במקביל: אפיון של השגיאות במחשב, התאמה של האלגוריתם, ואופטימיזציה של אופן הריצה שלו על החומרה. היא נשענת על שילוב של פיזיקה, מתמטיקה ומדעי המחשב, ומטרתה לאפשר למשתמש להריץ חישובים על מערכות קיימות, גם כשהן רחוקות משלמות. 

כדי להמחיש את המשמעות של הרצת אלגוריתמים ללא התוכנה של Qedma  ועם התוכנה, ד"ר סיני משתמש כהסבר באנלוגיה של רכב חשמלי. מערכת ללא התאמה מתאימה דומה לרכב שמסוגל לנסוע מרחק קצר מאוד. "אם משתמשים בתוכנת שיפור הדיוק, מגדילים את טווח הנסיעה של הרכב פי 100, ופתאום הרכב נעשה שימושי מאוד", הוא אומר. במילים אחרות, חישובים שהיו נקטעים מוקדם או נותנים תוצאות שגויות תחת רעש, הופכים לברי ביצוע. לא בגלל שהמחשב השתנה, אלא בגלל שאנחנו יודעים לאפיין את הרעש ומטפלים בו ובשגיאות הנוצרות כתוצאה מכך".  

גישה זו אינה עוקפת את המורכבות, אלא מתחשבת בה. ככל שמספר הקיוביטים יגדל והמערכות יהפכו מורכבות יותר, היכולת לאפיין את ההתנהגות שלהן ולתקן את השגיאות בתוכן צפויה להפוך לחלק בלתי נפרד מהעבודה. “לא משנה כמה החומרה תשופר, תמיד יהיו שגיאות, ולכן התוכנה של Qedma תמיד תהיה קריטית", מוסיף ד"ר סיני. 

מעבר לפיתוח הטכנולוגי, ד"ר סיני מדגיש גם את התפקיד של רשות החדשנות בבניית התחום. "הרשות קידמה את התחום הקוונטי בישראל בכמה רמות. בהשקעות, בהערכות מקצועיות בלתי תלויה וביצירת אקוסיסטם פעיל ומסגרות עבודה משותפות. תרומת רשות החדשנות לא תסולא בפז", הוא אומר.  

מעורבות הרשות מאפשרת לחברות לדבריו לפעול בתוך מסגרת רחבה יותר – עם גישה לשותפים, לבחון את הטכנולוגיה בתנאים מגוונים, ולהשתלב בתהליכים בין-לאומיים. במבט קדימה, סיני מעריך כי ההשפעה של מחשוב קוונטי על יישומים ממשיים נמצאת במרחק של מספר שנים. להערכתו, בתוך חמש עד עשר שנים ניתן יהיה לראות שימושים שישפיעו על תחומים שונים כמו תעשיית הרכב, תעשיית הבנקאות, חברות התרופות, המגזר הבטחוני או תעשיות מורכבות אחרות. 

עד אז, האתגר המרכזי אינו רק לבנות מחשבים טובים יותר, אלא לדעת לעבוד איתם בתנאים שאינם אידיאליים. התוכנה של Qedma אינה רק פתרון זמני, אלא שכבה שנועדה ללוות את התחום גם כאשר החומרה תשתפר.