מאמר של שני עתודאים מהפקולטה התקבל לפרסום במגזין נחשב

אלון לוי (23) וזיו אוסי (22) כבר סיימו את לימודיהם, כעתודאים, במסלול להנדסת מחשבים של הפקולטה להנדסה, והתגייסו לצה"ל, כשקיבלו את הבשורה: מאמר שכתבו בצוותא, על פרויקט הגמר שלהם, התקבל לפרסום במגזין הנחשב Quantum Science and Technology, אחד הז'ורנלים החשובים בתחום של מדע וטכנולוגיה קוונטיים. על המאמר חתומים ביחד איתם הדוקטורנט עמית תאני, שהנחה את השניים במהלך הפרויקט, והאחראי האקדמי פרופ' אלי כהן. במסגרת הפרויקט, רתמו השניים כלים מתורת האינפורמציה לתהליך "למידת המילטוניאן". "הדינמיקה של מערכות קוונטיות סגורות נקבעת ע"י גודל פיזיקלי שנקרא המילטוניאן, שמתאר כיצד המערכת משתנה בזמן", מסביר תאני. "הבעיה היא שלעיתים קרובות יש לנו מערכת קוונטית שההמילטוניאן שלה לא ידוע לנו, ועלינו לגלות אותו באמצעות סדרה של ניסויים ומדידות. התהליך הזה מכונה "למידת המילטוניאן", והוא חשוב עבור יישומים כגון סימולציה ובקרה של מערכות קוונטיות".

אחד הכלים המבטיחים לביצוע למידת המילטוניאן הוא אלגוריתם בשםQuantum Likelihood Estimation, שיטה היברידית המשלבת כוח מחשוב קוונטי עם ניתוח נתונים קלאסי: המחשב הקוונטי מבצע ניסוי, והמחשב הרגיל מעבד את התוצאות כדי לעדכן את הניחוש לגבי זהות ההמילטוניאן. לאחר מכן מבצעים ניסוי קוונטי נוסף, וחוזר חלילה - עד שניתן לנחש את ההמילטוניאן בוודאות גבוהה. "במסגרת הפרויקט, אלון וזיו רתמו כלים מתורת האינפורמציה כדי להפוך את התהליך הזה ליעיל הרבה יותר", אומר תאני. "במקום לבצע ניסויים קבועים מראש - הם פיתחו אסטרטגיה חכמה שמתכננת את הניסוי הבא כדי שיניב את כמות המידע הגדולה ביותר האפשרית. באמצעות אלגוריתם אופטימיזציה, המערכת בוחרת בדיוק את המצב ההתחלתי, זמן ההתפתחות והמדידה האידיאליים לכל שלב".

התוצאות של הפרויקט היו דרמטיות: שיפור של פי עשרה ומעלה במהירות הלמידה, מה שמקרב אותנו ליכולת לאבחן ולתפעל מערכות קוונטיות מורכבות וגדולות יותר בדיוק חסר תקדים. את התוצאות המרשימות הם כתבו לכדי המאמר Optimal quantum likelihood estimation, שהתפרסם כאמור בימים האחרונים במגזין הנחשב. "מדובר בהישג מאוד יוצא דופן: שני עתודאים הצליחו לפרסם מאמר סמוך מאוד לסיום הפרויקט, זמן קצר לאחר הגיוס לצה"ל" אומר תאני.

המפתח ליעילות - מקסום זרימת המידע

הכלים מתורת האינפורמציה ששימשו את זיו ואלון בפרויקט, נשענים על מסגרת תיאורטית שפותחה במאמר קודם, Oracle problems as communication tasks and optimization of quantum algorithms. על המאמר חתומים תאני ופרופ' כהן, יחד עם ד"ר זהר שוורצמן-נוביק (בוגרת דוקטורט בהנחיה משותפת של פרופ' דורית אהרונוב מהאוניברסיטה העברית ופרופ' כהן), פרופ' מרצ'ין נובאקובסקי ופרופ' פבל הורודצקי מהאוניברסיטה הטכנולוגית של גדנסק בפולין. במאמר זה, הציעו החוקרים להסתכל על חישובים קוונטיים כ"משימת תקשורת" – מעין שיחה בין המחשב לבין המערכת הנחקרת. המאמר מראה כי באמצעות כלים מתורת האינפורמציה, ניתן לכמת ולחשב במדויק כמה מידע עובר בכל "מילה" בשיחה הזו. תובנה זו הוכיחה כי המפתח ליעילות הוא מקסום זרימת המידע בכל צעד בודד - עיקרון שהפך לבסיס לשיטת האופטימיזציה החדשה.

המאמר שפורסם מחזק את המסגרת התיאורטית שפותחה בעבודה הקודמת ומוכיח שהיא לא רק אמצעי לניתוח בדיעבד, אלא כלי שמאפשר לפתח אלגוריתמים קוונטיים חדשים ולשפר קיימים. הפוטנציאל רב היות שקיים צורך מהותי למצוא אלגוריתמים קוונטיים חדשים, ואכן הקבוצה של פרופ' כהן שואפת להמשיך את כיוון המחקר הזה באמצעות פרויקטים ממומנים לחישוב והצפנה.