וידאו

טְק֡ס֙ט

במהלך רוב ההיסטוריה שלנו, הטכנולוגיה האנושית הורכבה

מהמוחות שלנו, אש, ומקלות חדים

בעוד שאש ומקלות חדים נהפכו לתחנות כוח ונשקים גרעיניים

השדרוג הגדול ביותר קרה למוחות שלנו

מאז שנות ה60, הכוח של מכונות המוח שלנו המשיך לגדול באופן מעריכי

ואיפשר למחשבים להפוך לקטנים יותר, וחזקים יותר באותו הזמן

אבל תהליך זה עומד לפגוש את הגבולות הפיזיים שלו

חלקי מחשב מגיעים לגודל של אטום

כדי להבין מדוע זאת בעיה, אנחנו מוכרחים להסביר כמה עקרונות בסיסיים

מחשב מורכב מרכיבים פשוטים מאוד, שעושים דברים פשוטים מאוד

הצגת נתונים, אמצעי העיבוד שלהם, ומנגנוני בקרה

שבבי מחשבים מכילים מודולים

שהם בתורם מכילים שערים לוגיים, המכילים טרנזיסטורים

טרנזיסטור הוא הצורה הפשוטה ביותר של עיבוד נתונים במחשבים

בפשטות, מתג שיכול לחסום או לפתוח

את הדרך למידע שעובר דרכו

מידע זה מורכב מסיביות, שיכולות להיות מוגדרות כאפס או אחד

שילובים של כמה סיביות משומשים להצגת מידע יותר מורכב

טרנזיסטורים משולבים בכדי ליצור שערים לוגיים, שעדיין עושים דברים מאוד פשוטים

לדוגמא, שער של “וגם” (AND) ישלח פלט של אחד רק אם כל הקלטים שלו הם אחד

ופלט של אפס אחרת

שילובים של שערים לוגיים לבסוף יוצר מודולים משמעותיים

נניח, להוספת שני מספרים

וכאשר אפשר להוסיף, ניתן גם להכפיל, וכאשר ניתן להכפיל

אפשר לעשות כמעט הכל

כיוון שכל הפעולות הפשוטות הן ממש פשוטות יותר ממתמטיקה של כיתה א'

אתם יכולים לדמיין את המחשב כקבוצה של ילדים בני 7

שעונים לשאלות מתמטיות ממש פשוטות

קבוצה גדולה מספיק שלהם יכולה לחשב הכל, מאסטרופיזיקה ל"אגדה של זלדה"

אולם, ככל שהחלקים נעשים קטנים יותר ויותר

פיזיקה קוונטית הופכת את הדברים לבעיתיים

בפשטות, טרנזיסטור הוא בסך הכל מתג חשמלי

זרם חשמלי הוא אלקטרונים הנעים ממקום אחד לאחר

אז מתג הוא מעבר היכול לחסום אלקטרונים מלנוע בכיוון מסויים

כיום, גודל טיפוסי לטרנזיסטורים הוא 14 ננומטר

שזה בערך שמינית מהיקפו של נגיף הHIV

וקטן פי 500 מגודלו של תא דם אדום

וכשטרנזיסטורים מתכווצים לגודל של כמה אטומים בודדים

אלקטרונים יוכלו פשוט להעביר את עצמם לצד השני של מעבר חסום

בעזרת תהליך הנקרא “מנהור קוונטי”

בקנה המידה הקוונטי, הפיזיקה פועלת טיפה אחרת

מהדרך הצפויה שאנו רגילים אליה

ומחשבים מסורתיים פשוט מפסיקים להיות הגיוניים

אנחנו מתקרבים לגבול פיזי ממשי להתקדמות הטכנולוגית שלנו

בכדי לפתור את הבעיה הזו, מדענים מנסים

להשתמש בתכונות הקוונטיות הלא-רגילות הללו לטובתם

על ידי בנייה של מחשבים קוונטיים

במחשבים נורמליים, סיביות הן היחידות הקטנות ביותר של מידע

מחשבים קוונטיים משתמשים בקיוביטים, שגם יכולים להיות מוגדרים כאחד משני ערכים

קיוביט יכול להיות כל מערכת קוונטית בעלת שני מצבים

כמו סיבוב בשדה מגנטי, או פוטון יחיד

אפס ואחד הם המצבים האפשריים של המערכת הזו

כמו הקיטוב האופקי או האנכי של פוטון

בעולם הקוונטי, הקיוביט לא חייב להיות רק באחד מהמצבים האלו

הוא יכול להיות בכל פרופורציות של שני המצבים בבת אחת

זה נקרא “סופרפוזיציה”

אבל כאשר אתה מודד את ערכיו, נניח, על ידי שליחה של הפוטון דרך מסנן

הוא חייב להחליט האם להיות מקוטב אנכית או אופקית

אז, כל עוד הוא לא נצפה, הקיוטביט נמצא בסופרפוזיציה של הסתברויות

של אפס ואחד, ואי אפשר לחזות מי מהם הוא יהיה

אבל ברגע שמודדים אותו, הוא קורס לאחד מהמצבים המוגדרים

סופרפוזיציה משנה את המשחק

סיביות קלאסיות יכולות להיות ב2 בחזקת 4

תצורות שונות בזמן נתון

אלו 16 צירופים שונים, שמתוכם ניתן להשתמש רק באחד

4 קיוביטים בסופרפוזיציה, לעומת זאת

יכולים להיות בכל 16 השילובים הללו בו זמנית

המספר הזה גדל מעריכית עם כל קיוביט נוסף

20 מהם יכולים כבר לאחסן מיליון ערכים במקביל

תכונה ממש מוזרה ולא אינטואיטיבית שיכולה להיות לקיוביטים

היא “שזירה קוונטית”, חיבור קרוב שגורם לכל אחד מהקיוביטים

להגיב לשינוי במצב של האחרים באופן מיידי

לא משנה כמה רחוקים הם זה מזה

זאת אומרת שכאשר מודדים רק קיוביט שזור אחד

ניתן להסיק ישירות את התכונות של השותף שלו, בלי צורך להביט

מניפולציית קיוביטים היא גם דיי משוגעת

שערים לוגיים רגילים מקבלים סטים פשוטים של קלטים

ומפיקים פלט מוגדר אחד

שער קוונטי מפעיל מניפולציה על קלט של סופרפוזיציה

מסובב הסתברויות, ומפיק עוד סופרפוזיציה כפלט

אז מחשב קוונטי מגדיר כמה קיוביטים, מפעיל עליהם שערים קוונטים בכדי לשזור אותם

ומפעיל מניפולציות על ההסתברויות, ולבסוף מודד את התוצאה

שהיא קריסת הסופרפוזיציה למחרוזת ממשית של אפסים ואחדים

מה שזה אומר זה שמקבלים את כל החישובים

האפשריים עם ההגדרות שלכם, והם מחושבים כולם באותו הזמן

בסופו של דבר, ניתן למדוד רק אחת מהתוצאות

ויכול להיות שהיא תהיה זו שאתם רוצים

אז אתם אולי תצטרכו לבדוק שנית, ולנסות שוב

אבל, על ידי ניצול מתוחכם של סופרפוזיציה ושזירות קוונטית

זה יכול להיות יעיל יותר באופן מעריכי

משאי פעם יהיה אפשרי על ידי מחשב רגיל

אז, למרות שכנראה מחשבים קוונטים לא יחליפו את המחשבים הביתיים שלנו

בתחומים מסויימים הם עדיפים בהרבה

אחד מהם הוא חיפוש בבסיסי נתונים

בכדי למצוא משהו במאגר נתונים

מחשב רגיל יאלץ לבדוק כל אחד מהערכים שבו

אלגוריתם קוונטי יצטרך רק את השורש הריבועי של הזמן הזה

דבר שלמאגרי נתונים גדולים הוא שינוי אדיר

השימוש המפורסם ביותר של מחשבים קוונטים הוא הריסה של אבטחת מידע

נכון לעכשיו, נתוני הדפדפן, האימייל, ובנק שלכם

נשמרים על ידי מערכת הצפנה בה נותנים לכל אחד

מפתח ציבורי לקודד הודעות שרק אתה יכול לפענח

הבעיה היא שהמפתח הציבורי יכול למעשה לשמש

לחישוב המפתח הפרטי הסודי שלך

למרבה המזל, עשיית החישובים המתאימים על כל מחשב רגיל

יקח פשוטו כמשמעו- שנים של ניסוי וטעייה

אבל מחשב קוונטי עם “מהירות” מעריכית

יכול לעשות זאת בלי בעיה

עוד שימוש מעניין הוא הדמיות

הדמיות של העולם הקוונטי דורשות הרבה משאבים

ואפילו עבור מבנים גדולים יותר, כמו מולקולות

הן לעיתים חסרות דיוק

אז למה לא לדמות פיזיקה קוונטית, על ידי שימוש בפיזיקה קוונטית?

הדמיות קוונטיות יוכלו לספק תובנות חדשות על חלבונים

שאולי יעוררו מהפכה בעולם הרפואה

נכון לעכשיו, אנחנו לא יודעים האם מחשבים קוונטיים יהיו

רק כלי מאוד מיוחד, או מהפכה גדולה לאנושות

אין לנו קצה חוט לגבי היכן נמצאים גבולות הטכנולוגיה

וישנה רק דרך אחת לברר!

סרטון זה נתמך על ידי האקדמיה האוסטרלית למדעים

המקדמת ותומכת במצוינות במדעים

למדו עוד על נושא זה והרבה כמותו

ב NOVA.ORG.AU

היה נהדר לעבוד איתם, אז לכו לבדוק את האתר שלהם!

הסרטונים שלנו אפשריים גם בזכות התמיכה שלכם בPatreon.com

אם אתם רוצים לתמוך בנו, ולהפוך לחלק מצבא הציפורים של Kurzgesagt

בדקו את דף הPatreon שלנו!

כתוביות בעברית על ידי KK