הרשת הקוונטית
של בוסטון

כולנו מכירים את היתרונות הרבים שיש לרשתות מחשבים – למשל האינטרנט – על פני הרבה מחשבים בודדים שעובדים כל אחד בנפרד. נתונים ועיבודים שנאספו במחשב אחד יכולים לעבור בקלות לכל שאר המחשבים וכך לחסוך עבודה. יתר על כן, רכיבים רחוקים ברשת יכולים לחלק את העבודה ביניהם, כך שכל רכיב יתמקד בתחום המומחיות שלו. וכמובן, התקשורת והעברת המידע בין בני אדם השתפרה פלאים מאז כניסת רשת האינטרנט לחיינו. 

אותו דבר אמור להיות נכון גם למחשבים קוונטיים – טכנולוגיה שנמצאת עדיין בחיתוליה. להלכה, שיתוף פעולה בין מחשבים קוונטיים יוכל לשפר את ביצועיהם, לפעמים בצורה מעריכית ביחס למספר רכיבי הזיכרון (קיוביטים) שלהם. אף שכלל לא ברור מתי ייכנסו מחשבים קוונטיים לשימוש אישי או ביתי, או אם זה עומד בכלל לקרות, נראה שצפויה להיות להם תועלת ניכרת לחישובים מדעיים ולרשתות תקשורת והצפנה. מחשבים קוונטיים רחוקים יכולים גם לשמש כלי מדידה מדויק מאוד המבוסס על פוטונים – חלקיקי אור – העוברים בין המחשבים. כלי מדידה כזה נקרא אינטרפרומטר, והוא יכול להיות שימושי מאוד לחקר כוח הכבידה ותורת היחסות הכללית.

עקרונות הסופרפוזיציה והקריסה יכולים לסייע בהצפנת מידע ברשת מחשבים קוונטית. שני חלקיקים שזורים | Pete Hansen, Shutterstock

למען תקשורת בטוחה

שימוש חשוב נוסף שיכול להיות לרשת מחשבים קוונטית הוא תקשורת בטוחה. כדי להבין את הרעיון של תקשורת כזאת יש להכיר את אחת התכונות הייחודיות של מערכות קוונטיות. מערכות קוונטיות יכולות להימצא במין מצב מעורב שמשלב כמה תכונות סותרות, למשל מעגל חשמלי שזורם עם כיוון השעון וגם נגדו. מצב כזה נקרא סופרפוזיציה, והוא מתקיים כל עוד לא מודדים את מצב המערכת. במקרה שלנו זה אומר שכל עוד לא בדקנו לאיזה כיוון נע הזרם החשמלי במעגל – הוא נע בשניהם יחד. אך ברגע שמדדנו את מצב המערכת, מתבצעת מעין הגרלה שאחריה המערכת קורסת לאחד משני המצבים, והזרם במעגל "מחליט" לאן הוא נע. 

את הסופרפוזיציה ואת הקריסה שלה אפשר לנצל לתקשורת חסינה מפני האזנות: נניח שהמחשב שלכם ושרת המייל שלכם רוצים לתאם ביניהם מפתח הצפנה, אך בלי להיפגש ישירות. הם מצפינים באופן כלשהו את המידע ושולחים אותו על פני סיבי הרשת. אם מישהו רוצה לצוטט להם, הוא יכול לדגום את המידע שעובר על פני סיבי הרשת ולנסות לפענח אותו.

אך אילו הייתה לכם ולשרת המייל שלכם גישה לרשת קוונטית, הייתם יכולים לעשות משהו מתוחכם יותר: שרת המייל מעביר למחשב שלכם ביטים קוונטיים של מידע שמתואמים (שזורים) עם ביטים קוונטיים שהוא שומר אצלו. הביטים יכולים להיות במצב 0 או במצב 1, ואפשר לקודד בהם מידע על ידי בחירת המצב של כל אחד מהם. כשהביטים עוברים ברשת, הם בסופרפוזיציה, כלומר במצב מעורב של 0 ו-1. אין בהם עדיין מידע, ולא יעזור להאזין לרשת. רק כשהם מגיעים למחשב שלי, המחשב מודד אותם, גורם לקריסה של הביטים שאצלו והביטים השזורים להם שנמצאים בשרת. וכך המידע נוצר רק כשהוא כבר בטוח ומוגן אצלכם.

רשת מחשבים קוונטית יכולה לספק תקשורת בטוחה יותר. הצפנה קוונטית | sakkmesterke, Shutterstock

מה צריך כדי לייצר רשת קוונטית?

יצירה של רשת של מחשבים קוונטיים היא צעד משמעותי בקידום הטכנולוגיה הקוונטית ובמיצוי הפוטנציאל של המחשבים הקוונטיים המפותחים כיום במעבדות ברחבי העולם.

כאמור, אם משהו מודד את הרכיב הקוונטי שעובר ברשת, הרכיב יקרוס וייהרס. מדידה יכולה לקרות גם בטעות עקב אינטראקציה של הרכיבים עם עצמים אחרים שנקרים בדרכם, למשל שדה חשמלי הפועל עליהם בגלל אנטנה קרובה. מדידות כאלה נקראות רעש קוונטי. לכן נרצה לשלוח ברשת רכיבים שלא מבצעים הרבה אינטראקציה, כלומר שקשה למדוד אותם.

המועמדים הטובים ביותר הם פוטונים – חלקיקי אור. פוטון עשוי לא פעם להגיע מהשמש עד לעיניים שלנו בלי להיתקל בשום הפרעה בדרך. ואם פוטון מוגן בתוך סיב אופטי, הסיכוי שיימדד קטן מאוד. על סמך העיקרון הזה הצליחו פיזיקאים מהמעבדה של מיכאיל לוקין (Lukin) באוניברסיטת הרווארד בארצות הברית לדמות לראשונה רשת קוונטית הפועלת בלב מרחב מציאותי רועש. במאמר שפרסמו לאחרונה בכתב העת Nature הסבירו החוקרים שהם השתמשו לשם כך בסיב אופטי הפרוס לאורך העיר בוסטון.

בה בעת נרצה שהרכיבים שצריכים לקלוט את המידע דווקא יוכלו לבצע אינטראקציה מפותחת עם הפוטון – אחרת הוא ידלג עליהם והמידע שנרצה להעביר לא יגיע ליעדו. לשם כך השתמשו החוקרים במערכות המורכבות מיהלומים סינתטיים, שיכולות ללכוד את הפוטונים כשהם מגיעים אליהן מהסיב. כך הרכיבים האלה מצליחים לקלוט את המידע הקוונטי שהועבר אליהם.

לבסוף, נרצה שגם רכיבי הרשת יהיו כאלו שלא נמדדים בקלות, כדי שגם הם לא יהרסו את המידע הקוונטי שהם מכילים בתוכם ויהיו יציבים. מלכודות הפוטונים המתוארות למעלה יכולות לעשות בדיוק את זה, כלומר, להישאר יציבות הרבה זמן, לפחות בתנאי מעבדה. נזכור שרק הפוטונים צריכים לנוע ברשת, כלומר, בסביבה רועשת. רכיבי הקצה של הרשת יכולים להישמר בתנאי מעבדה, ולכן מלכודות כאלו מתאימות למשימה.

החוקרים הצליחו להדגים כך יצירה של שזירה קוונטית ברשת שאורכה 35 ק"מ בין רכיבים קוונטיים יציבים. הם עשו את זה על סיב אופטי הפרוס בתנאים האורבניים והרועשים מבחינה טכנולוגית של העיר בוסטון. אחרי הרבה מאוד מחקרים שנועדו להוכיח את עצם ההיתכנות העקרונית של המחשב הקוונטי, והדגמות של רשתות קוונטיות שנעשו בתנאים מבוקרים שלא תואמים את העולם האמיתי וה"מלוכלך", זהו צעד חשוב בדרך למחשבים קוונטיים שימושיים.