המוח של המחשב הקוונטי

Quantum Machines (QM) כבר פועלת בשוק עם מערכות המאפשרות להריץ חישובים קוונטיים בצורה רציפה, על מנת להפוך מחשב קוונטי למכונה עובדת, עם הכנסות המוערכות בעשרות מיליוני דולר בשנה   

Quantum Machines שהיא אחת החברות המובילות בעולם בתחום, ממקדת את כל יכולותיה בפיתוח ובניית מערכות השליטה וההפעלה (Quantum Control) למחשבים קוונטיים. החברה בחרה בהתמחות אסטרטגית בשכבה הקריטית הזו, המכונה גם ״המוח של המחשב הקוונטי״, מאפשרת להפוך את המעבדים הקוונטים (Quantum Processing Units – QPUs) למכונת חישוב עקבית ושימושית. QM מפתחת מערכת בקרה שמסוגלת לעבוד עם מול כל סוגי המעבדים הקוונטים המפותחים על ידי חברות שונות בגישות טכנולוגיה שונות.   

החברה נוסדה על ידי שלושה דוקטורים לפיזיקה, שלאור הקשיים שחוו בעבודה עם מערכות קוונטיות במעבדה, הבינו שהמחסום האמיתי אינו רק ביצוע החישוב עצמו, אלא היכולת להבטיח שהוא יהיה יציב ובר-שחזור לאורך זמן. 

מימין: מייסדי Quantum Machines – ד״ר איתמר סיון, מנכ״ל החברה; ד״ר יונתן כהן, CTO; וד״ר ניסים אופק, מהנדס ראשי

משמאל: OPX1000 מערכת הבקרה והניהול של Quantum Machines – ה״מוח״ של המחשב הקוונטי

"הבנו שלא מספיק לבנות את המחשב, אלא צריך לדעת להפעיל אותו ביעילות", אומר איתמר סיוון, מנכ"ל החברה ומייסד שותף. "החלטנו להתמקד בדרך שבה מפעילים את המערכת, כך שתעבוד באופן יציב ועקבי, עם תזמון מדויק של כל פעולה ושילוב מיידי של כל מדידה בהמשך החישוב, על מנת שהתוצאה תהיה שימושית", הוא מוסיף.  

המערכת שפיתחה החברה פועלת כמו "מערכת הפעלה" למחשב קוונטי: היא לא רק שולחת פקודות לקיוביטים ומודדת את התוצאות, אלא גם מעבדת אותן מיד ומחליטה על הצעד הבא תוך כדי תנועה. הכל קורה ברצף אחד, בזמן אמת, כך שהחישוב לא נשבר באמצע אלא מתקדם באופן רציף ועקבי.

יכולת זו מבוססת על תפיסת בקרה היברידית המאפשרת למערכת לתפעל את המעבד הקוואנטי בעזרת מחשוב קלאסי בצורה חלקה. הפלטפורמה תומכת בסוגים שונים של מחשבים קוונטיים, מוליכי-על, אטומים ניטרליים, ספין, יונים לכודים ופוטוניקה. יתרון מובהק זה מאפשר לה לעבוד עם כל סוגי ה- QPUs בלי להינעל על כיוון טכנולוגי ספציפי בתחום שטרם הוכרע. 

טכנולוגית השליטה ההיברידית של QM מאפשרת ביצוע מדויק ויעיל של כמה מהמשימות החישוביות המורכבות ביותר בכל סוגי המחשבים הקוונטיים. גמישות זו הובילה לאימוץ מהיר של הטכנולוגיה על ידי מרבית החברות בתחום המחשוב הקוונטי ברחבי העולם. שיתוף פעולה אסטרטגי של החברה עם NVIDIA הידק את החיבור בין העולם הקוונטי לעולם הקלאסי, והוביל להכרזה של QM על ה-Open Acceleration Stack – ארכיטקטורה פתוחה שמחברת מעבדים קלאסיים כגון מעבדים גרפיים (GPUs) המשמשים ל-AI או מעבדי CPU, ישירות למערכת הבקרה של החברה. החיבור מאפשר תקשורת מהירה במיוחד בין המערכות ופותר בכך צווארי בקבוק בפיתוח הקוונטי. בזכות טכנולוגיה זו, משאבי מחשוב קוונטיים וקלאסיים יכולים לעבוד יחד בסנכרון מלא ובזמן אמת. הפתרון, פורץ הדרך, חיוני לתיקון שגיאות קוונטיות בזמן אמת, והוא סולל את הדרך לחיבור אינטגרלי של מחשבים קוונטיים למרכזי מחשוב ולמחשבי-על. חיבוריות שתאפשר להתמודד באופן היברידי עם בעיות מורכבות בתחומי הרפואה, האנרגיה, החומרים ועוד, בעיות שכוח המחשוב הקיים כיום אינו מסוגל לפתור. 

צוות Quantum Machines עובד על מחשב קוונטי במרכז הישראלי למחשוב קוונטי IQCC

שליטה ועיבוד במהלך החישוב  

ככל שמספר הקיוביטים גדל, כמות הפעולות שצריך לנהל גדלה יחד איתו. יותר אותות, יותר מדידות, יותר החלטות בזמן אמת. בלי מערכת שמסוגלת להתמודד עם זה, גם מחשב מתקדם מתקשה לעבור מניסוי חד-פעמי לשימוש עקבי. 

"במערכת קוונטית, החישוב לא מתנהל כמו בקוד של מחשב קלאסי  שבו מריצים ומקבלים תשובה בסוף. כל פעולה משנה את מצב המערכת, וכל מדידה משפיעה על מה שיקרה מיד אחריה. המשמעות היא שלא מספיק לשלוח פקודות ולחכות. צריך להיות בתוך התהליך עצמו", מסביר סיוון, "להבין מה קורה תוך כדי ולהגיב בזמן אמת."  

מערכת השליטה של Quantum Machines מאפשרת את זה. במקום להוציא נתונים החוצה, לנתח אותם ואז לחזור להרצה נוספת, החישוב, המדידה והתגובה מתרחשים באותו רצף. כל תוצאה חלקית יכולה להשפיע מיד על הצעד הבא.  

כדי שזה יקרה, החברה פיתחה רכיב עיבוד ייעודי (Pulse Processing Unit) PPU המבצע שליטה ועיבוד במהלך החישוב. המשמעות אינה רק מהירות, אלא סוג אחר של עבודה: אפשר למדוד, לנתח ולהתקדם בלי לעצור את המערכת, ובמקום רצף של ניסויים נפרדים, מתקבל תהליך מתמשך אחוד.  

לצד החומרה, פותחה בחברה גם שפת תכנות ייעודית QUA, שמאפשרת להגדיר לא רק מה לעשות, אלא גם איך להגיב למה שקורה תוך כדי. כלומר, במקום תוכנית קבועה מראש, ניתן לכתוב לוגיקה שמתעדכנת בזמן אמת על בסיס המדידות שמתקבלות מהמערכת. 

השילוב בין רכיב העיבוד לבין שפת התכנות יוצר סביבה שבה החישוב, המדידה והתגובה מתרחשים יחד. המשמעות אינה רק טכנולוגית, אלא תפעולית: ניתן לבצע כיול, אופטימיזציה ובקרה כחלק מתהליך רציף, ולא כסדרה של ניסויים נפרדים. זהו שינוי שמקצר את מחזורי העבודה ומאפשר להתקדם מהר יותר. 

ההשפעה של זה אינה רק על הביצועים – אלא על קצב ההתקדמות של התחום כולו. מחשוב קוונטי אינו מתקדם דרך פריצה אחת, אלא דרך אלפי ניסויים ושיפורים קטנים. כל עיכוב – בין אם בהעברת נתונים, בניתוח חיצוני או בהרצה חוזרת – מאט את קצב הלמידה. כאשר ניתן להגיב בזמן אמת, המחזור הזה מתקצר, והיכולת לבצע יותר ניסויים בזמן נתון גדלה משמעותית. 

"ברגע שמקצרים את הלולאה בין מדידה לפעולה, משנים את קצב ההתקדמות", אומר סיוון. "זה מאפשר לעשות יותר ניסויים, ללמוד מהר יותר ולהתקדם בקצב אחר." 

סיוון מתאר את מה שהחברה בונה כשכבה שלא הייתה קיימת עד לא מזמן באופן מסודר בתעשייה. אם הקיוביטים הם ה"שרירים" של המחשב הקוונטי, הפלטפורמה שלQuantum Machines היא ה״מוח״ שמאפשר להם לעבוד יחד. 

בפועל, אחד החסמים המרכזיים בעבודה עם מערכות קוונטיות היה עצם היכולת להפעיל אותן בצורה יעילה. חוקרים השקיעו זמן רב בהתאמות ידניות, בכיול ציוד ובהרצות חוזרות, רק כדי להגיע לנקודת התחלה שמאפשרת ניסוי. חלק גדול מהמאמץ לא הוקדש לשאלה המדעית, אלא לתפעול עצמו. 

המערכת מתרגמת את האלגוריתם לרצף מדויק של אותות ופעולות שמפעילים את הקיוביטים בפועל ומנהלת את החישוב. היא לא רק מריצה פקודות, אלא מתייחסת למה שקורה תוך כדי ומעדכנת את המשך הפעולה בהתאם. במילים פשוטות, בלי שליטה כזו, גם מחשב קוונטי מתקדם הוא לא הרבה יותר ממערכת שאפשר להדליק – אבל קשה מאוד לעבוד איתה. 

אבל שליטה בזמן אמת היא רק חלק מהתמונה. כדי שהיכולת הזו באמת תשנה את קצב ההתקדמות, צריך גם להיות מסוגלים להשתמש בה באופן רציף. בעולם הקוונטי, גישה אינה רק האפשרות להריץ קוד על יחידת החישוב, אלא גישה לרכיבי המעבד כתנאי להתקדמות המאפשרת . כדי לשפר את מערכת, . צריך להריץ אותה את הניסוי שוב ושוב, לבדוק, לכייל, לטעות ולתקן. 

"אי אפשר להתקדם אם אין לך גישה למערכות", אומר איתמר סיוון. "אם צריך לטוס חצי עולם בשביל זמן מוגבל על מערכת, זה פשוט לא עובד". המשפט הזה מתאר מציאות שהייתה נפוצה עד לא מזמן: מערכות קוונטיות מרוכזות במעבדות בודדות, והגישה אליהן מוגבלת. חוקרים נאלצים להתאים את עצמם ללוחות זמנים קצרים, לעבוד בתנאים שאינם בשליטתם, ולעיתים לחכות זמן רב בין ניסוי לניסוי. 

סיוון מדגיש גם את חשיבות ההשקעה של רשות החדשנות באקוסיסטם, ומייחס חשיבות רבה לתרומתה ליצירת סביבת עבודה המאפשרת לעבוד יחד – אקדמיה, תעשייה ותשתיות – ולהתקדם בקצב גבוה יותר.  

גישה זו באה לידי ביטוי גם בתשתיות שנבנות סביב התחום, ובהן המרכז הלאומי למחשוב קוונטי בישראל (IQCC) שהקימה החברה באוניברסיטת תל אביב בשיתוף עם רשות החדשנות. במטרה לאפשר גישה מתמשכת למערכות אמיתיות, כך שניתן יהיה לעבוד עליהן, לבדוק, לשפר ולבנות ידע מצטבר.