DOW-UAP-D150: מחשוב קוונטי ושימוש במולקולות אורגניות בטכנולוגיית אוטומציה - קיוביטים ומחשבי DNA לחלליות העתיד

קובץ: DOW-UAP-D150_AAWSAP-DIRD-Quantum-Computing-and-Utilizing-Organic-Molecules-in-Automation-Technology-December-10-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית (DIA), המשרד להתרעה ביטחונית (Defense Warning Office); הופק במסגרת תוכנית AAWSA סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (Defense Intelligence Reference Document, DIRD), סדרת "Defense Futures"; מספר בקרה DIA-08-1102-005 תאריך: 10 בדצמבר 2010 (תאריך סגירת המידע, ICOD: 10 בדצמבר 2010) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY (סייג ה-FOUO מחוק בקו ברוב העמודים; שוחרר לפרסום ב-2026) מספר עמודים: 54 VIRIN: 260918-D-D0360-1139 שחרור PURSUE: 6

תקציר

מסמך ייחוס בן 54 עמודים ששואל איזה מחשב תצטרך לשאת חללית בעוד 40 שנה, ועונה בשתי מועמדות לא שגרתיות: מחשבים קוונטיים ומכונות מולקולריות העשויות DNA. המסמך הוכן בידי אגף ההתרעה הטכנולוגית של ה-DIA (Technology Warning Division, DWO-4), שבמשרד להתרעה ביטחונית ובמנהלת האנליזה, נושא את מספר הבקרה DIA-08-1102-005 ומתוארך ל-10 בדצמבר 2010. המחבר מופיע רק בכינוי המושחר "AAP Person 73", ושאלות והערות התבקשו להפנות אל "AAP Person 1", מנהל תוכנית AAWSA ב-DIA. עמוד הפרטים מציין שהמסמך הוא אחד מסדרת דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2010. אותו כינוי, AAP Person 73, רשום גם כמחבר של DOW-UAP-D151, על הגבולות הקוגניטיביים של שליטה בכמה חלליות בלתי מאוישות, שיצא מאותו אגף חמישה ימים אחר כך ומשתמש באותו אופק של 40 שנה.

זוהי סקירת ספרות עם שכבת תחזית מפורשת. כמחצית ממנה היא מבוא למידע קוונטי (דה-קוהרנטיות, עמידות לתקלות, יכולת הרחבה), ובה פרק טכני ארוך על קיוביטים של ספין אלקטרון בנקודות קוונטיות מגרפן. המחצית השנייה סוקרת ננוטכנולוגיה של DNA, מאריחי DNA המרכיבים את עצמם ומאוריגמי DNA ועד שערים לוגיים מאנזימי DNA שמשחקים איקס-עיגול ו"עכבישי" DNA שצועדים לאורך מסילה. המסמך נחתם בתחזיות לטווחים של 10, 20 ו-40 שנה, מלווה ב-27 איורים וב-130 הפניות ביבליוגרפיות.

המסמך אינו מזכיר עב"מים, UAP או תצפית חריגה כלשהי. הקשר היחיד שלו לתוכנית הוא עמוד הפרטים המנהלי.

מאמר מחקר

הבעיה: מחשב-על ששורד בחלל

המסמך נפתח בתלונה הנדסית. טיסות החלל מעולם לא נשאו כוח מחשוב של ממש, ובלשונו: "the most powerful general purpose computers riding in the shuttle are the laptops the astronauts bring with them" (המחשבים הכלליים החזקים ביותר על המעבורת הם המחשבים הניידים שהאסטרונאוטים מביאים איתם; עמוד 8). קרינה גורמת לשגיאות חישוב זמניות וקבועות, הקשחה נגד קרינה (radiation-hardening) היא תהליך איטי ויקר, ודרישות ההסמכה מרחיקות את המעבדים העדכניים מן החלל. המסמך מעלה בעצמו את ההתנגדות המתבקשת: "if 50 years of space travel hasn't required one onboard supercomputer, why start now?" (אם 50 שנות טיסות חלל לא דרשו אפילו מחשב-על אחד על הסיפון, למה להתחיל עכשיו?). הוא מציין שנאס"א ביטלה בסוף 2009 ניסוי בחלל של גישה מקבילית מבוססת רכיבי מדף מסחריים (COTS), שקידמה קבוצה מאוניברסיטת פלורידה (עמוד 9).

התשובה שהוא מציע היא המרחק. עיכובי התקשורת מגיעים ל"Mars ~13 minutes, Jupiter ~45 minutes, and Neptune ~4 hours" (מאדים כ-13 דקות, צדק כ-45 דקות ונפטון כ-4 שעות), וחלליות שיפעלו "בטווח 40 השנה" יצטרכו לעבד על הסיפון נתונים אסטרונומיים ונתוני חללית וצוות. הדוגמאות הן אלפי חיישנים חצי-אוטונומיים על מאדים או מיליוני ננו-מכונות המתקשרות באלחוט, "magic dust" (אבק קסמים; עמוד 9). הערת שוליים קושרת את התרחיש לסדנה על פריצות דרך טכנולוגיות לחקר החלל המאויש, שהתקיימה במטה נאס"א בוושינגטון ב-17 ביוני 2010.

במונחי מסמך היעדים של AAWSAP (DOW-UAP-D110), זהו ככל הנראה מסמך המשרת את תחום הבקרה (control) ואת תחום הנושאים התומכים, עם נגיעה בתחום החומרים דרך הגרפן. אין בו דבר על הנעה או על עילוי.

מבוא למידע קוונטי

עמודים 9 עד 14 הם שיעור מסודר. המחבר ממסגר את המחשוב הקוונטי באנלוגיה ללייזר: הלייזר לא החליף את נורת הליבון אלא עשה דברים אחרים, ובאופן דומה מכונות קוונטיות "are not necessarily bigger, smaller, or faster than traditional methods; they are just different" (אינן בהכרח גדולות, קטנות או מהירות יותר מן השיטות המסורתיות; הן פשוט שונות; עמוד 10). היישום המניע הוא הצפנה: האלגוריתם של שור (Shor) מ-1994 יפרק מפתחות ציבוריים לגורמים במספר צעדים פולינומי במקום מעריכי, וחיפוש קוונטי מסוג גרובר (Grover) מקצר חיפוש של 0.5N בדיקות ל-√N (עמוד 11). תקשורת קוונטית, מטרולוגיה קוונטית והדמיה של מערכות קוונטיות משלימות את ארבעת היישומים.

אחר כך בא אוצר המילים ההנדסי. מעגל קוונטי חייב לשבת ב"קופסה סגורה" (closed box), כי כל השפעה חיצונית משנה את מצבו, תהליך הקרוי דה-קוהרנטיות (decoherence). בהשאלה מתחום התהודה המגנטית הגרעינית (NMR), המסמך מאפיין כל פלטפורמת חומרה בשלושה קבועי זמן: T2* (יכולת חזרה יציבה), T1 (עמידות לאנטרופיה) ו-T2 (בידוד משאר היקום; עמוד 12). תיקון שגיאות מוסבר באנלוגיה למערך דיסקים בסגנון RAID, ובדוגמת צעצוע של ספין אלקטרון שעומדת בשיעור שגיאות של 33%. אלא ש"realizable systems are more complex and only tolerate error rates in the 3% range" (מערכות ברות מימוש מורכבות יותר ועומדות רק בשיעורי שגיאה של כ-3%), ועמידות לתקלות אפשרית רק אם תודגם מדידה קוונטית שאינה הורסת את המצב (QND; עמוד 13).

הלב הטכני: קיוביטים של ספין בגרפן

החוט הארוך ביותר במסמך (עמודים 14 עד 22) טוען בזכות קיוביטים של ספין אלקטרון הכלואים בנקודות קוונטיות (quantum dots) מגרפן. הפחמן מתאים למשימה משום שלפחמן-12 אין ספין גרעיני. בפחמן טבעי, שהוא 99% פחמן-12 ו-1% פחמן-13, האלקטרון של הקיוביט "can only interact with 1% of the nuclei" (יכול לתקשר רק עם 1% מן הגרעינים), וגרפן מועשר בפחמן-12 יכול להקטין זאת עוד (עמוד 21). המכשולים הם היעדר פער אנרגיה (band gap) בגרפן, המאפשר לאלקטרונים לחמוק במנהור קליין (Klein tunneling), ו"ניוון העמקים" (valley degeneracy) שלו, המסבך בניית שערים של שני קיוביטים. המסמך עובר על שלושה תכנונים של נקודות המוגדרות אלקטרוסטטית (סרטי ננו מגרפן בעלי שוליים מסוג armchair, דיסקות בגרפן חד-שכבתי ודיסקות בגרפן דו-שכבתי), ומעריך שהגרפן הדו-שכבתי הוא הכיוון הבא, משום ששדה חשמלי פותח בו פער אנרגיה הניתן לכוונון.

שתי טענות כמותיות בולטות. מאחר שפקטור g של האלקטרון בנקודות מגרפן קרוב ל-2, לעומת פחות מ-0.43 בנקודות מגליום ארסניד (GaAs), אפשר לסובב את הספין "about five times faster" (מהר יותר בערך פי חמישה) באותו שדה מגנטי מתנודד (עמוד 19). ומנהור קליין מאפשר לצמד קיוביטים מרוחקים בסרט גרפן בלי לגעת בקיוביטים שביניהם, מבנה שהמסמך מכנה "פסנתר קיוביטים" (qubit piano; איור 7, עמוד 20). השורה התחתונה של הפרק כנה: פעולות מהירות של שני קיוביטים (כ-200 פיקו-שניות) כבר הודגמו, אך פעולות של קיוביט בודד באותו קנה מידה של זמן "still remain a challenge" (עדיין נותרו אתגר), ושערים של שני קיוביטים לתכנון הסינגלט-טריפלט, המערב ארבעה ספינים, טרם הודגמו כלל (עמוד 22).

שאר הפלטפורמות, דרך הסקירה של Ladd

לשם השלמת התמונה המסמך מסכם סקירה שפרסמו Ladd ועמיתיו ב-Nature ב-2010, וסקירה ארוכה יותר של Haffner על מלכודות יונים (עמודים 22 עד 24). מלכודות היונים זוכות להערכה הטובה ביותר: נאמנות שערים גבוהה מסף העמידות לתקלות ואין מחסום עקרוני להרחבה, אך הן דורשות מערכות קירור ומיגון כבדות. הפוטוניקה סובלת מאובדן פוטונים ומשערים בגודל סנטימטרים, אולם מספר הפרסומים על מחשוב פוטוני ב-2009 עלה על מספרם ב-2008 וב-2007 יחד (לפי חיפוש ב-Web of Science מ-30 ביוני 2010). מכאן מסיק המחבר ש"in 10 years all-optical computing should be addressing problems that cannot be accomplished via classical systems" (בתוך 10 שנים מחשוב אופטי מלא אמור לטפל בבעיות שמערכות קלאסיות אינן מסוגלות לפתור; עמוד 23). NMR בנוזל הגיע לכתריסר קיוביטים, אך נחשב רק לשדה ניסוי לאלגוריתמים. מעגלים מוליכי-על מוגבלים לזמני קוהרנטיות של מיקרו-שניות ספורות ולפעולה בעשרות מילי-קלווין, והם "currently not seen as a stand-alone technology" (אינם נחשבים כיום לטכנולוגיה עצמאית; עמוד 24).

שתי הסתייגויות ראויות להוסיף כהקשר חיצוני. ראשית, השיפוט האחרון לא עמד במבחן הזמן: קיוביטים מוליכי-על הפכו, לצד יונים כלואות, לאחת הפלטפורמות המובילות של המחשוב הקוונטי בעשור שלאחר מכן. שנית, יש במסמך שגיאות עובדתיות קטנות, כמו תיארוך ה-ENIAC ל"שנות ה-50" (עמוד 8; המחשב הושלם ב-1945) והצגת הנחושת כדוגמה לחומר מוליך-על (עמוד 24).

DNA: מאריחים, דרך איקס-עיגול ועד עכבישים צועדים

המחצית השנייה (עמודים 24 עד 46) היא סקירת ספרות נפרדת. היא נפתחת בתקציר בן שמונה סעיפים על כימיית ה-DNA "לקורא ההדיוט", ואז עוקבת אחר מודל הרכבת האריחים המופשט (aTAM) של Winfree, שבו קבוצת "אריחי Wang" משמשת כתוכנית, והרכבה עצמית דו-ממדית של DNA מסוגלת עקרונית לבצע חישוב אוניברסלי במובן של טיורינג. איור 12 מציג אריחי XOR המגדלים גבישים בדגם משולש שרפינסקי. המכשול המרכזי הוא שגיאות הרכבה, המסווגות לשגיאות צמיחה, שגיאות פאה ושגיאות התגרענות (nucleation; איור 15). המסמך מתאר אריחי הגהה (כל אריח מוחלף בגוש של 2 על 2), את "מנגנון האריח המוגן" ו"מנגנון האריח השכבתי" (PTM ו-LTM) של Fujibayashi ו-Murata, ומכשיר מיקרו-פלואידי להרכבת אריחים שפיתחו חוקרים בטוקיו.

אוריגמי DNA זוכה למספרים הקונקרטיים ביותר: צורות הבנויות על גדיל שלד (scaffold) באורך 7,000 בסיסים עם יותר מ-200 גדילי עזר, תפוקה של מעל 70%, ו-50 מיליארד עותקים של הדגם הנוצרים בבת אחת. המחבר קובע: "we are now capable of self-assembling structures whose size and complexity rival that of Nature's most complex self assembled machines" (אנו מסוגלים כעת להרכיב בהרכבה עצמית מבנים שגודלם ומורכבותם מתחרים במכונות המורכבות ביותר שהטבע מרכיב בעצמו; עמוד 34). אחר כך באה הלוגיקה: שערים מדאוקסיריבוזימים (deoxyribozymes, זרזים העשויים DNA) מסוג NOT, AND, ANDNOT ו-ANDANDNOT, והאוטומטים "MAYA" המשחקים איקס-עיגול מול אדם. המסמך נותן שני מספרי שערים בלי להפריד ביניהם בבירור: 23 שערים למשחק המפושט הראשון, ו-97 שערים לוגיים בתשע בארות, המופעלים בידי 32 גדילי קלט של השחקן האנושי, ועוד 32 שערים המציגים את מהלכיו. האוטומטים "give the human no chance to win" (אינם מותירים לאדם כל סיכוי לנצח; עמוד 40). המסמך מודה שחיבורים טוריים בין שערים כאלה איטיים מכדי לשמש בהתקנים מעשיים (עמוד 37).

הקשר לחלל חוזר רק בסוף. "הולך" DNA הנושא מטען של אטומי זהב "could be used to collect samples from asteroid or planetary surfaces" (יכול לשמש לאיסוף דגימות מפני שטח של אסטרואידים או כוכבי לכת; עמוד 44). "עכבישי" דאוקסיריבוזים בעלי שתיים עד שש רגליים הגדילו את מספר הצעדים הרצופים מספרה בודדת לכמה אלפים, והמסמך מציע ש"הולך הננו" ישמש לתיקון מחשבי DNA שניזוקו מקרניים קוסמיות (עמודים 44-45). תיקון עצמי הוא, למעשה, כל הטיעון של המסמך בעד DNA בחלל.

התחזיות, ומה שהמסמך אינו עושה

התקציר (עמודים 6-7) והדיון (עמודים 46-47) חוזרים כמעט מילה במילה על אותן ארבע תחזיות: מחשבים קוונטיים פעילים מבוססי מלכודות יונים "within 10 years" (בתוך 10 שנים), אך לא מעשיים לטיסות חלל; מחשבים אופטיים בתוך 20 שנה ותפקיד תומך בחישוב קוונטי מבוזר בתוך 40; מחשבי-על היברידיים מנקודות קוונטיות ופוטונים שיפעלו ללא קירור קריוגני בתוך 40 שנה; ומחשוב פשוט על בסיס אריחי DNA בתוך 20 שנה, עם מחשבי DNA המתקנים את עצמם בתוך 40. המסקנה (עמוד 47) מונה ארבע התקדמויות "מוכנות לחלל" באופק של 40 שנה, ומודה שבטווח של 10 עד 20 שנה מוכנות המחשבים האופטיים ומחשבי ה-DNA לטיסות חלל "will be lacking" (תהיה חסרה).

התחזיות הללו נטענות ולא נגזרות. הראיה היחידה לתזמון היא היקף פעילות המחקר, והמסמך אומר זאת במפורש: התחזית למלכודות היונים "is entirely based on the amount of research resources dedicated to the problem" (מבוססת כולה על היקף משאבי המחקר המוקדשים לבעיה). אין במסמך ניתוח עלויות, אין נתוני בדיקות קרינה לאף אחת מן הארכיטקטורות המוצעות, ואין הערכה של תוכניות זרות. ראוי לציין גם שהתקציר הרשמי של war.gov זהיר יותר מן המסמך עצמו: הוא מתאר את מחשוב ה-DNA כרעיון של העתיד הרחוק, בעוד שהמסמך צופה מחשבי DNA עמידים לתקלות "for mission-critical analysis tasks" (למשימות ניתוח קריטיות) ומחשב אופטי מלא שעשוי "להשלים או להחליף" מחשבים כלליים בחלל. המסמך אינו מזכיר עב"מים או UAP כלל.

משמעות

זהו סקר טכני מאורגן היטב, שרובו נשען על ספרות מדעית מן הזרם המרכזי, וערכו לארכיון הוא בכך שהוא מראה עד כמה בהרחבה הגדירה AAWSAP את המונח "תעופה וחלל מתקדמים". תוכנית שנזכרת בעיקר בשל עניינה בתופעות בלתי מוסברות הזמינה סקירה בת 54 עמודים על קיוביטים בגרפן ועל אוריגמי DNA, ממוסגרת סביב צורכי המחשוב של חלליות בעוד 40 שנה. לקורא של היום המסמך שימושי כתמונת מצב מ-2010 של המחשוב הקוונטי ומחשוב ה-DNA, כולל תחזית (מוליכי-על כטכנולוגיה משנית) שהעשור שלאחריו הפך. תרומתו לשאלת ה-UAP עצמה עקיפה לכל היותר.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"Current commercial computer hardware trajectories in silicon substrate semiconductors are not likely to produce a radiation-hard or small and portable supercomputer without significant mission-specific alteration." (מגמות הפיתוח הנוכחיות של חומרת מחשבים מסחרית במוליכים למחצה על מצע סיליקון אינן צפויות להניב מחשב-על עמיד לקרינה, או קטן ונייד, ללא שינויים משמעותיים המותאמים למשימה.) -- עמוד 6

"Indeed, the most powerful general purpose computers riding in the shuttle are the laptops the astronauts bring with them." (ואכן, המחשבים הכלליים החזקים ביותר על המעבורת הם המחשבים הניידים שהאסטרונאוטים מביאים איתם.) -- עמוד 8

"A good question arises that if 50 years of space travel hasn't required one onboard supercomputer, why start now?" (עולה שאלה טובה: אם 50 שנות טיסות חלל לא דרשו אפילו מחשב-על אחד על הסיפון, למה להתחיל עכשיו?) -- עמוד 9

"The first operating quantum computers capable of solving real-world problems will commence within 10 years and be based on ion trap technology." (המחשבים הקוונטיים הפעילים הראשונים המסוגלים לפתור בעיות מן העולם האמיתי יופיעו בתוך 10 שנים ויתבססו על טכנולוגיית מלכודות יונים.) -- עמוד 6

"Hybrid designs utilizing arrays of quantum dots and photon communication channels will be an option for space travel supercomputing on the 40-year timescale. These systems operate at attainable temperatures without cryonics, and require no more shielding than humans." (תכנונים היברידיים המשתמשים במערכים של נקודות קוונטיות ובערוצי תקשורת פוטוניים יהיו אפשרות למחשוב-על בטיסות חלל בטווח של 40 שנה. מערכות אלה פועלות בטמפרטורות ברות השגה ללא קירור קריוגני, ואינן דורשות מיגון רב יותר מזה שדורשים בני אדם.) -- עמוד 6

"For the first time, we are now capable of self-assembling structures whose size and complexity rival that of Nature's most complex self assembled machines." (לראשונה, אנו מסוגלים כעת להרכיב בהרכבה עצמית מבנים שגודלם ומורכבותם מתחרים במכונות המורכבות ביותר שהטבע מרכיב בעצמו.) -- עמוד 34

"The nano walker could be hybridized to repair DNA based machinery, including DNA computers, when they are being assembled, or when they are damaged from cosmic rays, for example." (הולך הננו יכול להיות משולב כדי לתקן מכונות מבוססות DNA, כולל מחשבי DNA, בעת הרכבתן, או למשל כשהן ניזוקות מקרניים קוסמיות.) -- עמוד 45

"These will not be the fastest systems in the astro-arsenal, but self-repair may make them the most robust." (אלה לא יהיו המערכות המהירות ביותר בארסנל החללי, אך התיקון העצמי עשוי להפוך אותן לעמידות ביותר.) -- עמוד 7