המרוץ למיליון קיוביטים

החברות הישראליות המתמודדות עם האתגר ההנדסי של בניית מחשבים קוונטיים פועלות בגישות טכנולוגיות שונות, אך כמעט ולא מתחרות ביניהן, אלא פועלות בתחושה של "אנחנו מול העולם"

המעבד הקוונטי הוא ליבת המחשב, יחידת חישוב שעובדת לפי עקרונות מכניקת הקוונטים, המקבלת בקשה ומוציאה פלט, אולם בניגוד לביט המהווה יחידת חישוב בסיסית במעבד של מחשב קלאסי, במעבד הקוונטי יחידת החישוב הבסיסית היא קיוביט.

כדי להבין מה נדרש ממעבד קוונטי על מנת שיהיה שימושי, צריך תחילה להבין את גודל הפער בין היעד לבין המצב הקיים. המחשוב הקוונטי טומן בחובו פוטנציאל עצום שליותר מטריליון דולר לכלכלה העולמית, אבל כדי שזה ייצא לפועל, נדרש מחשב גדול במיוחד, עם 1,000,000 קיוביטים לפחות ויכולת תיקון שגיאות מתקדמת.

המחשב הקוונטי הגדול ביותר הקיים כיום בעולם עומד על 1,000 עד 2,000 קיוביטים פיזיים. זה עדיין פער של שלושה סדרי גודל מהיעד שבו מחשב קוונטי יציג עליונות ממשית על מחשב קלאסי. למה יש צורך בכל כך הרבה קיוביטים? כי המשימות שמחשב קוונטי אמור לבצע דורשות חישובים ארוכים מאוד עם הרבה שלבים עוקבים. בכל שלב כזה קיימת הסתברות לשגיאה ולשגיאות מצטברות לאורך החישוב.

ככל שהקיוביט איכותי יותר, כלומר יציב יותר ועמיד יותר להפרעות, כך הוא שוגה פחות. אבל גם קיוביטים איכותיים שוגים לעיתים, ולכן נדרשת מערכת תיקון שגיאות שמפצה על כך – מערכת כזאת מצריכה מספר גדול משמעותית של קיוביטים.

לצד פער הביצועים קיים גם פער נגישות. כיום מחשבים קוונטיים הם מערכות גדולות, יקרות ומורכבות להפעלה, שנמצאות בעיקר בידי ממשלות, וחברות טכנולוגיה גדולות. במובן זה, התחום מזכיר שלב מוקדם יותר בהתפתחות המחשוב, שבו מערכות חישוב היו מרוכזות, יקרות מאוד ונגישות למעטים בלבד.

האתגר: יצירת אינטראקציה בין הפוטונים

Quantum Source בחרה בגישה הטכנולוגית של פוטונים, חלקיקי אור, כבסיס למעבד הקוונטי שלה. "היתרון הגדול של פוטונים הוא יכולת ההרחבה: אחרי שנבנית אבן הבניין הנכונה, אפשר לשכפל אותה שוב ושוב ולבנות מחשב גדול ככל שנרצה", מסביר עודד מלמד, מנכ"ל החברה ואחד ממייסדיה.

הבעיה הקלאסית של מחשבים פוטוניים היא שפוטונים כמעט שאינם מתקשרים זה עם זה באופן טבעי, מה שהופך את יצירת הקשרים ביניהם לתהליך הסתברותי עם סיכויי הצלחה נמוכים מאוד. לכן, האתגר המרכזי בגישה הפוטונית אינו עצם היכולת לבנות מערכת גדולה, אלא יצירת אינטראקציה מבוקרת בין פוטונים. בגישות רבות מדובר בתהליך שבו כל פעולה מצליחה רק בחלק מהמקרים ודורשת חזרות רבות.

הפתרון שפיתחה החברה, על בסיס מחקר שבוצע במכון ויצמן, עושה שימוש באטומים כמתווכים. “אנחנו מעבירים את האינפורמציה הקוונטית מהפוטון לאטום, שומרים אותה שם, וכשמגיע הפוטון הבא מעבירים את האינפורמציה לפוטון הבא,” מסביר מלמד. “האטומים מצטיינים באחסון מידע והם מהווים מעין מחט השוזרת בין הפוטונים שמעבירים מידע בתוך המערכת”.

הטכנולוגיה מבוססת על אינטראקציה בין פוטונים לאטומים בודדים בתוך מבנה פיזיקלי מדויק הנקרא Cavity. האינטראקציה מאפשרת ייצור פוטונים “לפי דרישה” ויצירת קשרים ביניהם בצורה מבוקרת. במקום לנסות לגרום לפוטונים ליצור אינטראקציה ישירה – דבר שקשה מאוד לבצע – המערכת משתמשת באטומים כמתווכים שמעבירים את המידע ביניהם.

Quantum Source פיתחה שיטה דטרמיניסטית, שמאפשרת שליטה ישירה בתהליך. המעבר מגישה הסתברותית לגישה דטרמיניסטית משנה את מאפייני המערכת כולה ומשפיע ישירות על גודל המערכת, העלות והמורכבות שלה. בעוד שמערכות הסתברותיות דורשות שכפול מסיבי של רכיבים – לעיתים בקנה מידה שמוביל למחשבים בגודל של מגרש כדורגל – הגישה הדטרמיניסטית מאפשרת מערכת קטנה, יעילה ופשוטה יותר לתפעול.

מעבר לכך, היא פותחת אפשרות לפעול בתנאים פחות קיצוניים. במקום מערכות קירור מורכבות, ניתן לתכנן מערכות שפועלות בטמפרטורת חדר – יתרון הנדסי וכלכלי משמעותי.
בהתאם לכך, החברה מתמקדת במעבד גדול ועוצמתי, לא בשלבי ביניים. “אנחנו מסתכלים אך ורק על המחשבים הגדולים,” אומר מלמד. “השלבים באמצע לא מעניינים אותנו”. המטרה היא מעבד שיפתור בעיות שאף מחשב קלאסי לא יוכל לפתור, ושאנשים יהיו מוכנים לשלם עליו הרבה מאוד כסף.

 “אנחנו החברה היחידה בעולם שמפתחת את הטכנולוגיה בגישה כזו,” הוא אומר. “לכן, אין לנו ממי להעתיק, ואנחנו צריכים לסלול את דרכנו בעצמנו. הטכנולוגיה עדיין מורכבת מאוד והדרך למימוש מלא אינה קצרה, אך הבסיס המדעי כבר קיים, הוא ישראלי, ואנחנו הופכים אותו למציאות”.

רשות החדשנות היא חלק משמעותי מהדרך

מלמד מייחס לרשות החדשנות חשיבות רבה עוד מתחילת דרכה של החברה. “בפגישה הראשונה שלנו עם הרשות היינו רק שלושה או ארבעה אנשים. אנשי הרשות עודדו אותנו לצאת לדרך, הבטיחו לעזור – ואכן עזרו. רשות החדשנות תמכה בנו לאורך השנים בכמה שלבים מרכזיים: תחילה בהעברת הידע ממכון ויצמן אל תוך החברה, ובהמשך בפיתוח הטכנולוגיה הבסיסית שעליה היא נשענת.

אחד הביטויים המשמעותיים לשיתוף הפעולה הזה הוא מאגד הסיליקון פוטוניקס (Silicon Photonics) שמובילה החברה בשלוש השנים האחרונות. המאגד כולל חברות מתחומים שונים – תקשורת, ניווט ולייזר רב עוצמה, כמו אלביט, Cielo ו-NewPhotonics שכל אחת מהן משתמשת בטכנולוגיה המתפתחת בו לצרכיה השונים.

“אנחנו אמנם החברה היחידה שמשתמשת בטכנולוגיה הזו למחשוב קוונטי,” אומר מלמד, “אבל המאגד מאפשר לפתח אותה גם לכיוונים נוספים, ובימים אלה אנחנו פועלים להקמת מאגד נוסף, מתקדם יותר, שירחיב את הפעילות ויכלול שותפים חדשים מהתעשייה ומהאקדמיה".

מלמד מדגיש כי מעבר למימון, הערך המרכזי של רשות החדשנות טמון לדעתו ביכולת להניע תהליכים כאלה. “לרשות היה החזון להשקיע בתחום עוד לפני שזה היה אופנתי,” הוא אומר, “ואני חושב שאנחנו על המפה היום הרבה מאוד בזכותה".

מערכת היברידית המשלבת יהלום ופוטוניקה

שמואל בצ'ינסקי, מנכ"ל Quantum Transistors, מציג גישה ייחודית הן בבחירת הטכנולוגיה והן בהגדרה של המערכת כולה. החברה מפתחת פתרון היברידי: ארכיטקטורה שמשלבת בין קיוביטים מבוססי יהלום לבין פוטוניקה בסיליקון. הקיוביטים עצמם נוצרים בתוך גביש יהלום, בעוד ששכבת הפוטוניקה משמשת לשליטה, קישוריות והעברת מידע בתוך המערכת. השילוב הזה אינו בחירה טכנולוגית בלבד, אלא גם ניסיון לחבר בין יציבות ברמת הקיוביט לבין יכולת לבנות מערכת שלמה שניתן להנדס ולהרחיב לאורך זמן.

החברה הוקמה סביב רעיון של הפיזיקאי ד"ר משה תורג’מן, ופועלת כיום בשלב מחקר ופיתוח. בצ’ינסקי עצמו מגיע עם ניסיון עשיר מעולם הסטארטאפים. “העבודה שלי היא אנשים,” הוא אומר, “לא פיזיקה” – וממקם בה את מוקד העשייה לא רק בשאלה איך לגרום למערכת לעבוד, אלא איך להפוך אותה למוצר.

"הקיוביטים עצמם נוצרים בתוך גביש יהלום", מסביר בצ'ינסקי. "מדובר במבנים זעירים בקנה מידה ננומטרי, המיוצרים בתוך שבב, ולא רק במערכות מעבדה מבודדות. במקביל, שכבת הפוטוניקה מאפשרת שליטה, קישוריות והעברת מידע בין הקיוביטים.

הבחירה ביהלום ממקמת את הקיוביט בתוך גביש יציב במיוחד שמאפשר לבודד אותו מהסביבה בצורה יעילה הבידוד אינו מבטל את הרעש, אך מפחית אותו כבר ברמת החומר ומאפשר להתקדם בעבודה בתנאי קירור ובידוד לא קיצוניים.

הקטנת הרגישות של הקיוביטים משפיעה ישירות על המורכבות ההנדסית, עלויות התפעול והיכולת להקטין את המערכת. אבל הבחירה ביהלום היא רק חלק מהתמונה. הארכיטקטורה ההיברידית כוללת גם פעילות משמעותית בתחום הסיליקון פוטוניקס, המשמשת שכבת קישוריות ובקרה בתוך המערכת. השילוב בין יהלום לפוטוניקה אינו מקרי: הוא מאפשר מצד אחד לייצב את הקיוביט, ומצד שני לבנות מערכת שניתן לחבר, להרחיב ולהפעיל כמכלול.

הטכנולוגיה נמצאת עדיין בשלבי פיתוח והחברה פועלת כיום בסביבה מחקרית מובהקת, עם צוות של כ-20 עובדים. חלק מהאתגרים שנראו בתחילת הדרך כבלתי אפשריים כבר הוכחו כישימים, אך הדרך למוצר מלא עדיין כוללת סיכונים טכנולוגיים משמעותיים.

מחשוב קוונטי נמצא כיום בשלב שמזכיר את עידן המיינפריימים (מחשבים גדולים ויקרים מהדור הישן, שתפסו חדרים שלמים). גודל המערכות, מחירן ונגישותן מצמצמים את מספר המשתמשים שיכולים לבנות עליהן יישומים, ומגבילים את קצב ההתפתחות של התחום כולו.

Quantum Transistors מציגה כיעד מחשב קוונטי כשבב – “מחשב קוונטי על צ’יפ אחד”, כרכיב שניתן יהיה לייצר, לשכפל ולהטמיע, ומערכת שניתן יהיה להפעיל שוב ושוב, לחבר, להרחיב ולשלב בתוך מערכות רחבות יותר. "במובן הזה, השאלה אינה רק אם המערכת תעבוד, אלא אם ניתן יהיה לייצר אותה בקנה מידה רחב", אומר בצ'ינסקי ומדגיש: הגביע הקדוש הוא לא שזה יעבוד, אלא שאפשר יהיה למכור מיליון כאלה”.

מהמעבדה לפס הייצור

הבחירה בארכיטקטורה היברידית אינה נשארת ברמת התכנון בלבד, היא מכתיבה גם את אופן הבנייה של המערכת. ב-Quantum Transistors מנסים מראש לא רק על יצירת רכיב קוונטי, אלא על תהליך שניתן יהיה לשכפל.

לשם כך פועלת החברה בתוך מסגרת שמכוונת לעולם הייצור: Quantum Transistors הקימה מתקן ייצור פנימי – פאב (Fab) שבו מיוצרים הצ’יפים עצמם. מדובר במתקן בגודל של כ-200 מ"ר, שבו מתבצע ייצור בפועל של רכיבים בקנה מידה מיקרוני, תוך שימוש בתהליכים שמזכירים את עולם הסמיקונדקטור.

הפאב מייצר נקודת מעבר ברורה בין מחקר לפיתוח: לא עוד הדגמות בתנאי מעבדה בלבד, אלא רכיבים שנבנים בתוך תהליך ייצור מוגדר, שאפשר לחזור עליו, לשפר אותו ולבסס עליו מערכת שלמה. הקיוביטים עצמם, למשל, נוצרים בתוך הצ’יפ כחלק מהתהליך הזה.

"בעולם הקוונטי, לא מספיק להראות שחישוב עובד בתנאים מסוימים", אומר בצ’ינסקי. “צריך לגרום לזה לעבוד שוב ושוב באותה צורה.”

היציבות הזו אינה טריוויאלית. היא דורשת תזמון מדויק של כל פעולה, שילוב מיידי של מדידות בתוך רצף החישוב, ושליטה בכל רכיב במערכת בזמן אמת.

מבחינת בצ'ינסקי האתגר אינו רק לבנות מערכת שעובדת, אלא לבנות פורמט חדש למחשב קוונטי. “אנחנו מנסים לבנות את ה-8086 של עולם הקוונטים,” הוא אומר. ה-8086, המעבד שהניח את הבסיס למחשבים האישיים, לא היה בזמנו החזק ביותר,. אבל הוא שינה את הפורמט והוכיח שאפשר לקחת יכולת שהייתה מרוכזת במערכות גדולות, ולהפוך אותה לרכיב שניתן לייצר ולהפיץ.

הדרך לשם עדיין ארוכה, והאתגרים משמעותיים. אבל הבחירה לתכנן את המערכת מראש בתוך מסגרת של ייצור ולא כניסוי בלבד' מגדירה הסתכלות אחרת ויעד שונה.

צוות החברה במתקן הייצור שבו מפותחים צ׳יפים קוונטיים מבוססי יהלום

לא חברה אחת, אלא תשתית

"פיתוח המחשב קוונטי אינו יכול להישען על גוף אחד בלבד", מדגיש בצ'ינסקי. Quantum Transistors פועלת בתוך מסגרת רחבה יותר, שמחברת בין תעשייה לאקדמיה סביב אתגרים משותפים. "זה לא סיפור של חברה אחת מול חברה אחרת", הוא מדגיש, "אלא בנייה משותפת של ידע, יכולות ותשתיות שתגדיל את הסיכוי שאחת הגישות תוביל לפריצת דרך ישראלית".

רשות החדשנות יוצרת לדבריו את התנאים שמאפשרים למודל כזה להתקיים, עם חיבור בין גופים שלא בהכרח היו עובדים יחד, והקמת מסגרות שמאפשרות לבחון כמה גישות טכנולוגיות במקביל, כחלק ממאמץ רחב יותר

Quantum Transistors" מובילה ביוזמת רשות החדשנות מאגד בשם DiamondSemiIL לפיתוח טכנולוגיות מוליכים למחצה היהלום", מספר בצ'ינסקי. במאגד חברות עשר חברות ישראליות כולל רפאל, אלביט, אנבידיה ואחד עשר קבוצות אקדמיה מכל הארץ. "הפאב שלנו מאפשר לכולם לייצר דגמים ולשתף ידע", מספר בצ'ינסקי

“כשהבעיה קשה, אתה רוצה כמה שיותר ראשים סביב השולחן, והמאגד הוא דרך יעילה להתמודד עם מורכבות” הוא אומר. בפועל, המשמעות היא עבודה עם חוקרים ויועצים מהארץ ומהעולם, שנכנסים לעומק של בעיות ספציפיות ומסייעים לפתור אותן.

העבודה במסגרת כזו אינה תמיד פשוטה. אבל בצ’ינסקי משוכנע שהתוצאה מצדיקה את המאמץ, ומוסיף "באמצעות קידום כמה כיוונים במקביל, אנחנו מגדילים את הסיכוי שישראל תצליח לפתח מחשב קוונטי משלה, וכך להבטיח עצמאות לאומית בתחום הקריטי הזה".