בדרך למחשבים קוונטיים שימושיים

בקיצור

• מדענים מתקשים לבנות מחשבים קוונטיים גדולים דיים כדי להיות שימושיים, מכיוון שחלקיקים  במספרים גדולים מפסיקים להתנהג על פי חוקי המכניקה הקוונטית ומתחילים לציית לחוקי הפיזיקה הקלאסית.
• הפתרון, כך מסתמן, הוא ליצור מספר רב של מחשבים קוונטיים קטנים ולחבר אותם זה לזה בקשרים מינימליים, שלא יפריעו לתכונות הקוונטיות – גישה הקרויה מחשוב קוונטי מודולרי.
• לאחרונה הודגמו בהצלחה כמה גישות מודולריות, המבוססות על סוגים שונים של ביטים קוונטיים ("קְיוּבִּיטים"), וייתכן שבקרוב יהיה אפשר להתבסס עליהן כדי ליצור מערכות בקנה מידה גדול.

במשך עשרים השנים האחרונות, ניסו מדענים לרתום את המוזרויות של העולם הקוונטי המיקרוסקופי כדי להשיג פריצות דרך בתחומים של עיבוד מידע ויכולות תקשורת.  לחלקיקי חומר בקנה מידה זעיר יש תכונות ייחודיות: הטבע הגלי והחלקיקי של האלקטרונים, האפשרות של חלקיק להימצא בכמה מקומות בו־זמנית, וקשר מידי מוזר שיכול להישמר בין שני חלקיקים גם כשהם מרוחקים מאוד זה מזה. שימוש נכון בתכונות האלה עשוי להפוך מטלות מחשוב, תקשורת ומדידה שנחשבו בעבר לבלתי אפשריות לדבר שבשגרה. אם להביא דוגמה מפורסמת אחת: מחשב קוונטי יוכל לפצח הצפנות "בלתי ניתנות לפיצוח".

במקביל, אפשר להיעזר במחשבים קוונטיים כדי לאחסן ולהעביר מידע באופן שמבטיח, באמצעות חוקי הפיזיקה, את הפרטיות שלו. הם יכולים לדמות תהליכים במערכות כימיות ובחומרים מורכבים, שאי אפשר לפתור בדרך אחרת. מערכות קוונטיות יוכלו לשפר את הדיוק של שעונים אטומיים, שהם השעונים המדויקים ביותר שיש, וגם לשמש כחיישנים ממוזערים מדויקים שימדדו תכונות של מערכות כימיות וביולוגיות בקנה מידה אטומי או מולקולרי. חיישנים כאלה יוכלו לשרת מגוון מדעים, מביולוגיה והנדסת חומרים ועד רפואה.

הפוטנציאל הזה הוא הסיבה לכך שענקיות טכנולוגיה כמו גוגל ואינטל, חברות הזנק, סוכנויות ביטחון וסוכנויות ממשל אחרות משליכות את יהבן על התחום. גם הקהילה האקדמית בעניין: ב-2015 לבדה פורסמו בשלושה כתבי עת מובילים יותר מ-3,000 מאמרים מדעיים שהזכירו "מחשוב קוונטי" או "מידע קוונטי".

הבעיה היא שמדענים עדיין לא הצליחו לבנות מחשב קוונטי בקנה מידה גדול שיממש את הפוטנציאל הזה. האתגר טמון בכך שהמחשב הקוונטי, בהגדרתו, חייב לעבוד בקנה המידה הקוונטי, אך כשמנסים לבנות משהו גדול דיו כדי להיות שימושי, הוא נוטה באופן טבעי להתחיל לציית לחוקים הקלאסיים של העולם המאקרוסקופי.

שלוש גישות מוציאות את המחשבים הקוונטיים מן התיאוריה אל המעשה.
(איור: קייל בין)

ייתכן שבניית מערכת גדולה, שתסתמך על החוקים הקוונטיים ותוכל לעבד מידע קוונטי בנפחים משמעותיים, מחייבת גישה מודולרית. בגישה כזו, יחידות קוונטיות קטנות ומוכחות יחוברו בדרך שלא תשבש את טבען הקוונטי. ניסויים מוצלחים בקנה מידה מוגבל שנעשו לאחרונה העבירו את הגישה המודולרית מן התיאוריה אל מגרש המציאות, והם סוללים את הדרך למימוש הפוטנציאל הייחודי של מחשבים קוונטיים.

כנראה אפסים ואולי אחד

את ההצעה הראשונה לניצול העולם הקוונטי לבנייה של מחשבים מתקדמים העלו בתחילת שנות ה-80 פיזיקאים ומתמטיקאים כגון ריצ'רד פיינמן מן המכון הטכנולוגי של קליפורניה ודייוויד דויטש מאוניברסיטת אוקספורד. הרעיון נשאר  בגדר השערה תיאורטית במשך שנים רבות, עד שפיטר שור, שעבד אז במעבדות AT&T Bell, הראה ב-1994 שבאמצעות מחשבים קוונטיים אפשר לפרק במהירות מספרים גדולים לגורמיהם, והדבר הצית את העניין בתחום. המחשבים הקוונטיים הבסיסיים הראשונים הופיעו בשנות ה-90 המאוחרות ובתחילת שנות ה-2000, כשחוקרים בנו מערכות פשוטות שכללו כמה "ביטים" עשויים מאטומים, מולקולות או פוטונים.

טבעם המיוחד של החלקיקים הקוונטיים הוא שמעניק למחשוב הקוונטי יתרון על פני המחשוב הקלאסי. במחשבים קלאסיים, היחידה הבסיסית של מידע (ביט) יכולה לקבל ערך חד־משמעי של 0 או של 1, ואילו יחידת המידע הבסיסית הקוונטית (קְיוּבִּיט, qubit) יכולה להתקיים בשני המצבים בו־זמנית, כלומר לייצג גם את 0 וגם את 1 בעת ובעונה אחת. היא יכולה להיות "כנראה 0 אבל אולי 1", "סיכוי שווה להיות 0 או 1" או כל שקלול אחר של שני המצבים. יכולת זו של הקְיוּבִּיט נובעת מכך שחלקיקים קוונטיים יכולים להתקיים בשני מקומות, או בשני מצבים פיזיקליים, בו־זמנית, תופעה המוכרת בשם סופרפוזיציה.

חוץ מלהימצא בשני מצבים בו־זמנית, קְיוּבִּיטים יכולים גם להתחבר זה לזה באמצעות תכונה קוונטית הקרויה שְזירה (entanglement): היכולת של חלקיקים מרוחקים זה מזה לשמור על קשר ביניהם, כך שפעולה שתבוצע על אחד מהם תשתקף בשני. תכונה זו מעניקה למחשבים הקוונטיים יכולת אדירה של עיבוד מקבילי. כשאוסף של קְיוּבִּיטים שזורים יחדיו, פעולה פשוטה על אחד מהם יכולה להשפיע על המצבים של כל האחרים. אפילו אם יש קְיוּבִּיטים ספורים בלבד, כל המצבים התלויים־הדדית של 0, 1 וסופרפוזיציות שלהם יוצרים מרחב עצום ומורכב ביותר של תוצאות אפשריות. מחשב קלאסי מסוגל לעבד רק אפשרות אחת בכל רגע נתון, ואילו מחשב קוונטי יכול למעשה לבחון את כל הפתרונות האפשריים לבעיה בבת אחת. מאות ספורות של קְיוּבִּיטים יוכלו לבדוק יותר אפשרויות ממספר החלקיקים ביקום.

עד כה, מדענים במעבדות רבות הצליחו ליצור מערכות מחשוב קוונטי קטנות שכללו עד עשרה קְיוּבִּיטים. אלא שעם כל קְיוּבִּיט נוסף, נעשה קשה יותר ויותר להגן על המערכת מפני העולם החיצוני, וכל הפרעה מבחוץ משבשת לגמרי את התכונות המייחדות את המחשב הקוונטי. סופרפוזיציה קוונטית של מצבים מרובים יכולה להתקיים אך ורק בבידוד. כל ניסיון לצפות בה או למדוד אותה בטרם עת יגרום לחלקיקים לקרוס למצב יחיד, או במילים אחרות, לבחור אפשרות מסוימת. בשלב זה המכניקה הקוונטית יוצאת מן התמונה, והקְיוּבִּיטים הופכים לביטים הרגילים של המחשוב הקלאסי. היכולות המיוחדות של האובייקטים הקוונטיים מתגלות רק במערכות קטנות ביותר, וכושלות כשהאובייקטים מתחברים לשלם גדול (מה שמזכיר קצת את האופן שבו מעריצים אדוקים של להקת שוליים נוטים לאבד בה עניין כשהיא נעשית מפורסמת). מערכות גדולות הן בדרך כלל מורכבות מדי, ולא מבודדות דיין, בשביל התנהגות קוונטית, הרי איננו מצפים לראות כדור טניס, או אפילו תא חי, בשני מקומות בו־זמנית.

מערכות קוונטיות מודולריות

אם כך, האתגר הוא לעבור לקנה מידה גדול בלי לאבד את האופי הקוונטי הנחוץ. גישה פשטנית, של יצירת מערכת גדולה על ידי חיבור עוד ועוד קְיוּבִּיטים ברשת אחת, צפויה להיכשל, כפי שעלה בגורלן של המכונות של חברת D-Wave Systems מקנדה. במחשבים האלה חוברו יחדיו מאות ואלפי קְיוּבִּיטים. נציגי החברה אמנם מתעקשים שהמחשבים שלהם חישבו במהירות גבוהה יותר מזו המושגת בעזרת אלגוריתמים קלאסיים, אבל טרם מצאנו פרסום עם נתונים שיעידו על שזירה בקנה מידה נרחב, או על יתרונות מהירות כלשהם של המערכות האלה.

הטכניקה המודולרית מספקת נתיב אחר להתקדמות. היא דומה לאסטרטגיה של חברות תעופה בבואן לנהל מערכות מורכבות. בטיסה הבאה שלכם, הסתכלו על הכריכה האחורית של המגזין שבכיס המושב: מפת הנתיבים של חברת התעופה תיתן לכם מושג כללי על המבנה של מחשב קוונטי מלא. חברות התעופה אינן טסות בטיסות ישירות מכל עיר לכל עיר, מכיוון שהלוגיסטיקה והניהול יהיו קשים ביותר. במקום זאת, הן עושות שימוש ב"מרכזות" ליצירה של רשתות עם חיבורים עקיפים. בזכות הוויתור על החיבור הישיר, חברות התעופה מצליחות לפתח ולתחזק רשת גדולה הרבה יותר של יעדים.

באופן דומה, גם מחשב קוונטי מודולרי אינו אמור לחבר כל קְיוּבִּיט לכל קְיוּבִּיט אחר. במקום זאת, הוא ישתמש בכמה קְיוּבִּיטים כ"מרכזות" שמגשרות בין מודולים נפרדים, בדומה לאופן שבו נמל התעופה באטלנטה שבג'ורג'יה משמש נקודת חיבור מרכזית בין דרום־מזרח ארה"ב לאזורים אחרים.

רשתות מודולריות עוזרות לצמצם את מספר האינטראקציות בין קְיוּבִּיטים לכמות נוחה לניהול, ומאפשרות לכל מודול להישאר מוגן מפני הפרעות חיצוניות. הן מפצות על המחסור בקשרים ישירים על ידי שיתוף פעולה עקיף בין אלפי ואפילו מיליוני קְיוּבִּיטים. עם זאת, בשונה ממערכות מודולריות רגילות כגון מעבדים מרובי־ליבות, שבהן אותו סוג של תווך מקשר בין הליבות ובתוכן, במערכות מודולריות קוונטיות יידרשו שני סוגים שונים של קישור או יותר, כדי שהשזירה הנחוצה תוכל להתקיים על אף הבידוד בין המודולים. בעשור האחרון צצו שלוש אסטרטגיות מובילות למודולריות קוונטית, שמבוססות על סוגים שונים של קְיוּבִּיטים. אנו, המחברים, עובדים, כל אחד לחוד, על פלטפורמות כאלה, ומאמינים שהן יוליכו למחשבים הקוונטיים הגדולים, שיאפשרו לנו לעבד מידע בדרכים חדשות.

קְיוּבִּיטים אטומיים

הקְיוּבִּיט ה"טבעי" ביותר הוא אטום יחיד, שרמות האנרגיה של האלקטרונים שלו, או רמות האנרגיה הגרעינית (הקרויות לעתים "מצבי ספין"), מאחסנות מידע קוונטי. קְיוּבִּיטים אטומיים יכולים לשמש בקלות בסיס למערכות גדולות, מכיוון שאטומים מאותו סוג זהים זה לזה מכל בחינה מעשית, ולא צריך להנדס אותם במיוחד. אפשר לקרר אותם באמצעות קרני לייזר – להעביר תנע מן האטום אל אור הלייזר המתפזר – עד שהם יימצאו כמעט במנוחה, וזה נעשה בזמן שהאטומים מרחפים בתאי רִיק שמונעים מהם כל אינטראקציה עם חלקיקים אחרים.

התקן קוונטי: מעגל למדידה של קְיוּבִּיטים מוליכי־על ארוז בתוך קופסה מצופה זהב. מדידות כאלה יכולות לשזור קְיוּבִּיטים המצויים בצבירים נפרדים, או "מודולים", וכך לקשר בין המודולים וליצור מחשב קוונטי מאוחד.
(באדיבות מישל ה' דבורה, אוניברסיטת ייל)

אפשר ליצור קְיוּבִּיטים מאטומים ניטרליים או טעונים (יונים). כדי ללכוד קְיוּבִּיטים מאטומים ניטרליים אנחנו נעזרים בקרני לייזר ממוקדות, או בכעין רשת קרני לייזר הקרויה "סריג אופטי". עשרות קבוצות מחקר ברחבי העולם עובדות בשיטות כאלה. אמנם קשה לשלוט באטומים ניטרליים ולתפעל אותם ברמת הקְיוּבִּיט היחיד, אבל יש הרבה דרכים מבטיחות להתקדמות בתחום.

קבוצות אחרות משתמשות, במקום זאת, ביונים טעונים במטען חיובי, כלומר באטומים שהוסר מהם אלקטרון. היונים מגיבים זה לזה בעוצמה באמצעות דחייה חשמלית, ואפשר ללכוד אותם בעזרת שדות אלקטרומגנטיים שמקורם באלקטרודות סמוכות. אנחנו יכולים לקרר מאות יונים לכודים באמצעות לייזר כדי ליצור גביש נייח של אטומים יחידים, המתנודדים כמו מטוטלות המחוברות ביניהן בקפיצים. קרני לייזר נוספות יכולות להזיז את היונים באופן ששוזר את מצבי הספין שלהם דרך התנודות שלהם, שיטה שהוצעה לראשונה ב-1995 בידי איגנסיו סיראק ופיטר צולר, שעבדו אז ביחד באוניברסיטת אינסברוק שבאוסטריה. בעשרים השנים האחרונות, הצליחו חוקרים להתקדם מאוד בשליטה ובשזירה של קְיוּבִּיטים המורכבים מיונים יחידים. לאחרונה, קבוצות בהנחיית אחד מאִתנו (מונרו), דייוויד ג' ויינלנד מן המכון הלאומי האמריקני לתקנים ולטכנולוגיה (NIST) וריינר בלאט מאוניברסיטת אינסברוק הדגימו שזירה באיכות גבוהה של עד 20 קְיוּבִּיטים מיונים לכודים.

עד כה, חוקרים בדקו שתי דרכים לחבר מודולים עשויים מגבישי יונים שזורים כאלה. אחת מהן היא להזיז באופן פיזי כמה מן הקְיוּבִּיטים היוניים במרחב, ממודול אחד לאחר, דרך מבוך מסובך של אלקטרודות (שיטה שהציעו בשנת 2000 מונרו, ויינלנד ודייוויד קילפינסקי, שהיה אז ב-NIST). אפשר לגרום ליונים לגלוש במרחב על גבי גל של שדה חשמלי, בלי שהדבר יפריע למצב הקְיוּבִּיטי שלהם. כשהיונים האלה נוחתים במודול השני, פולסים של לייזר יכולים לגרום להם ליצור שזירות חדשות. שני המודולים, שכל אחד מהם מכיל, נניח, 50 קְיוּבִּיטים, הופכים לאוסף חישובי יחיד, כלומר 100 קְיוּבִּיטים שעובדים יחדיו, אם כי דרך קישור חלש. אין מגבלה תיאורטית על מספר המודולים שאפשר לחבר בטכניקה זו, שמכונה "הסעת יונים".

אחד הקשיים בשיטה הזאת הוא השליטה במלכודות היונים המורכבות, שבנויות ממאות או מאלפי אלקטרודות המוצבות במיקומים מדויקים. צריך לספק את כל המתחים החשמליים הנכונים בזמן הנכון לכל האלקטרודות האלה, כדי שהיונים יגלשו לאורך המבוך. כיום נעשים מאמצים ראויים לציון, במעבדות הלאומיות סנדיה בארה"ב ובחברת הניוול אינטרנשיונל, לייצור בקנה מידה גדול של אלקטרודות מתאימות מסיליקון ומחומרים מוליכים־למחצה אחרים.

במעבדה: המחבר כריסטופר ר' מונרו מתפעל קְיוּבִּיטי יונים אטומיים בעזרת קרני לייזר ולוכד אותם במלכודת עשויה משדות אלקטרומגנטיים שמופקים באמצעות אלקטרודות.
(באדיבות קתרין מונרו)

השיטה השנייה לחבר בין מודולים של קְיוּבִּיטים יוניים היא להשאיר את האטומים במקומם. בשיטה זו, קרני לייזר גורמות ליונים לפלוט פוטונים (חלקיקי אור) השזורים עם היונים. הפוטונים השזורים האלה יכולים להעביר את השזירה בין מודולים. ממשק קוונטי-פוטוני זה מקורו ברעיונות שנהגו לפני כמעט עשרים שנה, על ידי חוקרים באוניברסיטת אינסברוק, בקלטק ובאוניברסיטת הרווארד, והודגמו לפני כעשר שנים על ידי מונרו.

לשיטת הקישור הפוטוני יש יתרון גדול בכך שהיא מאפשרת לחבר בין זיכרונות מבוססי־קְיוּבִּיטים מרוחקים, ואפשר להשתמש בה כדי לחבר גם סוגים אחרים של קְיוּבִּיטים, כגון אטומים ניטרליים או קְיוּבִּיטים מוליכי־על ומוליכים־למחצה, ועליהם נדבר בהמשך. אפשר גם להיעזר ברשתות של סיבים ומתגים אופטיים כדי ליצור קשרים בקנה מידה נרחב וכדי לקבוע אילו קְיוּבִּיטים יהיו שזורים בכל רגע. המכשול הגדול שעומד בפני האסטרטגיה הזאת הוא שקישור פוטוני בין קְיוּבִּיטים אינו יעיל כל כך, מכיוון שהוא מחייב לכידה והנחיה של פוטונים. ייתכן שיידרשו עוד ניסויים רבים עד שנוכל ליצור קישור מוצלח. נכון להיום, הניסויים המוצלחים ביותר פעלו בקצב של כ-10 קישורים שזורים בשנייה בלבד. עם זאת, שיפורים שיתבססו על טכנולוגיה קיימת עשויים להגדיל את הקצב הזה פי כמה וכמה.

קְיוּבִּיטים מוליכי־על

אטומים הם אולי הקְיוּבִּיטים של הטבע, אך מבחינה הנדסית קשה לשלוט בהם וליצור מהם מערכות מורכבות. כתחליף, אפשר ליצור "אטומים מלאכותיים" בעזרת מעגלים עשויים מחומר מוליך־על. התקנים כאלה עשויים להכיל אטומים רבים, אך עדיין להתנהג כמו קְיוּבִּיטים פשוטים וקלים לתפעול. את מצבי ה-1 וה-0 אפשר לייצג באמצעות הימצאות או היעדרות של פוטון יחיד באורך גל של גלי מיקרו, או באמצעות תנועה עם או נגד כיוון השעון של זרם מעגלי בהתקן. למעגלים קוונטיים כאלה יש יתרונות ייחודיים: אפשר לתכנן ולעצב את התכונות שלהם, ולייצר אותם בכמויות גדולות בשיטות ייצור של מעגלים משולבים רגילים. כשמפעילים אותם בטמפרטורות קרובות לאפס המוחלט, הם מסוגלים להישאר במצבי סופרפוזיציה זמן ממושך דיו כדי לשמש כקְיוּבִּיטים אמינים. ב-15 השנים האחרונות הצלחנו לשפר את אורך החיים של מערכות כאלה פי מיליון ויותר.

בעשור האחרון הושגה התקדמות מהירה בתחום המעגלים הקוונטיים מוליכי־העל, והודגמו התכונות השונות הדרושות ליצירת מחשב קוונטי. חוקרים במעבדות אקדמיות רבות, וכן חברות מסחריות כמו גוגל ו-IBM, מסוגלים כעת לתפעל ולשזור כמה קְיוּבִּיטים מוליכי־על. באמצעות טכניקות המכונות "אלקטרודינמיקה קוונטית של מעגלים", שפותחו על ידי אחד מאִתנו (שולקופף) ועמיתיו מישל ה' דֶבורֶה וסטיב גירווין מאוניברסיטת ייל, אנחנו מסוגלים גם לשזור קְיוּבִּיטים מרובים על פני מרחקים גדולים תוך שימוש בקווי תמסורת מוליכי־על.

התקנים מוליכי־על מתאימים באופן טבעי לארכיטקטורה מודולרית. אנחנו יכולים לחבר בין מודולים כאלה בתוך מתקן הקפאה גדול באמצעות כבלים והתקני מדידה מוליכי־על, ובאותו זמן לבודד את המודולים זה מזה כדי להפחית את ההשפעות ואת ההפרעות ההדדיות. כדי לבצע את השזירה בין המודולים, חוקרים בייל, ב-JILA שבאוניברסיטת קולורדו בולדר, באוניברסיטת קליפורניה בברקלי ובמקומות אחרים פיתחו התקנים מוליכי־על מיוחדים למדידה קוונטית.

לגישה המודולרית עם קְיוּבִּיטים מוליכי־על יש כמה מאפיינים מרשימים. במקום לבנות ולבדוק מעגל אחד ענק, אנחנו צריכים לייצר ולכוונן רק מודולים צנועים באופן יחסי, ולבנות מהם את המורכבות בהדרגה. אם יתגלה מודול פגום נוכל להיפטר ממנו או לדלג עליו, ונוכל גם לחווט מחדש את החיבורים בין המודולים כדי ליצור ארכיטקטורות שונות. בימים אלה נעשים מחקרים על פיתוח של ממירים קוונטיים ממיקרו־גל לאופטיקה, ובעזרתם יהיה אפשר לחבר מודולים מרוחקים בכבלים אופטיים וליצור רשתות קוונטיות לטווח ארוך, או מחשב קוונטי מבוזר.

קְיוּבִּיטים של ספין במצב מוצק

הסוג השלישי והאחרון של קְיוּבִּיטים מקודד מידע במצבי ספין בתוך חומרים במצב מוצק. יש מודלים שונים של קְיוּבִּיטים כאלה, אך אחת השיטות המבטיחות, שנחקרת על ידי אחד מאִתנו (לוקין) ועל ידי קבוצות נוספות, מסתמכת על זיהומים בגבישים כדי ליצור קְיוּבִּיטים. לדוגמה, סריג יהלום, המורכב מאטומי פחמן, שאטום אחד בו מוחלף באטום חנקן והאטום הסמוך לו חסר. זיהום כזה מכונה "מרכז היעדרות־חנקן" (NV), ואפשר לשלוט בספין האלקטרוני שלו בעזרת פולסים אלקטרומגנטיים. לוקין ועמיתיו פיתחו שיטה שבה מרכז NV מגיב לספין הגרעיני של אטומי הפחמן הצמודים אליו, ויוצר כך צביר של קְיוּבִּיטים סמוכים, שמקורם באינטראקציות מגנטיות בין החלקיקים. לרוע המזל, למרכז כזה יש מעט מאוד אטומי פחמן שכנים, כך שמספר הקְיוּבִּיטים הכולל בכל מודול מוגבל לתריסר או פחות.

יצירת מערכת בקנה מידה גדול מחייבת חיבור של מודולים מרובים מסוג זה. אם הקְיוּבִּיטים מצויים בסריגי גביש נפרדים, אפשר לקשר ביניהם בכך שמאלצים כל קְיוּבִּיט לפלוט פוטון, ולאחר מכן מודדים את הפוטונים האלה. לעומת זאת, אם יש מרכזי NV רבים בתוך אותו סריג יהלום, אפשר לנסות לקשר ביניהם בעזרת רטיטות קוונטיות הקרויות "פונונים" ומסוגלות לשאת מידע קוונטי ממרכז למרכז.

אף על פי שקשה מאוד לטפל במידע המקודד בקְיוּבִּיטים של מרכזי NV, לעתים קרובות אפשר לבצע את הטיפול בתנאים רגילים ובטמפרטורת החדר. בעשור האחרון, יורג וורכטרופ מאוניברסיטת שטוטגרט בגרמניה ופדור ילזקו, שעובד כעת באוניברסיטת אוּלְם שבגרמניה, פיתחו שיטות לצפייה במרכזי NV נפרדים. שיטות אלה מאפשרות למדענים לעבוד עם קְיוּבִּיטים יחידים המבוססים על ספין אלקטרוני. באוניברסיטת שיקגו, צוות בראשותו של דייוויד אבשלום הצליח לתפעל קְיוּבִּיטים כאלה בקנה מידה של ננו־שניות, המקביל למהירות של מעבדים "קלאסיים" מודרניים.

רונלד הנסון ועמיתיו, באוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה שבהולנד, הצליחו לשזור קְיוּבִּיטי NV במרחק של יותר מקילומטר באמצעות פוטונים שזורים, בשיטה דומה לזו שהוזכרה כאן לקישור בין יונים. בינתיים, תהליך זה אינו יעיל במיוחד, בניסויים בדלפט דובר על יצירת קישורי שזירה ספורים בשעה. ועם זאת, לאחרונה פיתחו בהרווארד ובמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס טכניקות חדשות לשיפור ניכר של התהליך בעזרת התקנים אופטיים בקנה מידה ננו־מטרי. מכיוון שאנו כבר מסוגלים ליצור כמה קְיוּבִּיטים סביב זיהום יחיד בסריג יהלום, ולאחסן אותם למשך יותר משנייה בגבישים טהורים במיוחד, כמו הגבישים שמגדלים מדענים בחברת Element Six לייצור יהלומים מלאכותיים, נראה שיש למרכזי NV פוטנציאל של ממש כבסיס לארכיטקטורה של מחשוב קוונטי מודולרי בקנה מידה גדול.

העתיד הקוונטי

במשך יותר מ-20 שנה של מחקר ופיתוח בתחום, ערכו מדענים ניסויים בקנה מידה קטן שבהם הם בדקו את כל הגישות למחשוב קוונטי מודולרי שהוצגו כאן. היעד שעוד נותר לפנינו הוא להרחיב אותן, ליצור צבירים גדולים יותר של קְיוּבִּיטים ושל מודולים, ולבצע בעזרתם דברים מעניינים. אנחנו סבורים שהיעד הזה מצוי בהישג יד.

העתיד הקוונטי מאתגר ומרגש. ככל שהמחשבים הקוונטים יגדלו, כן יהיה קשה יותר ויותר לשלוט בתהליכים שבתוכם, ולוודא שהמערכת בכללותה מתנהגת בהתאם למכניקת הקוונטים. הגישה המודולרית מאפשרת לנו לבדוק ולאמת בנפרד כל מודול וכל קישור בין מודולים, בלי להפריע לפעילות המערכת השלמה. למעשה, מדענים כבר השיגו אבני דרך חשובות לקראת מטרה זו.

גם בקנה מידה צנוע באופן יחסי, מחשבים קוונטיים מודולריים יוכלו לבצע משימות ייחודיות. הם יהוו את התשתית ל"אינטרנט קוונטי", שיורכב ממעבדים קוונטיים קטנים שיתקשרו זה עם זה באמצעות שזירה של פוטונים אופטיים. הם יוכלו לשמש תחנות ממסר להגדלת הטווח של תקשורת קוונטית מאובטחת: כיום, תקשורת זו מוגבלת לכ-100 קילומטרים בגלל אובדן פוטונים בסיבי התקשורת, אך עם תחנות הממסר היא תוכל לגשר בין יבשות.

כבר עכשיו מתבצע שילוב של מחשבים קוונטיים מודולריים בכמה מן השעונים המדויקים ביותר בעולם, והתפקיד שלהם אמור להיות בעל משמעות רבה יותר בדור חדש של שעונים אטומיים אופטיים, שיתבססו על אטומים ניטרליים ועל יונים אטומיים. מדענים הציעו לבנות רשת עולמית קוונטית של שעונים כאלה, שישמשו יחד "שעון עולמי" אחיד, בין־לאומי ובזמן אמת, בעל יציבות ודיוק חסרי תקדים.

רשת קוונטית זערורית תוכל גם לשמש כחיישן מדויק של שדות אלקטרומגנטיים ושל טמפרטורות במערכות כימיות וביולוגיות מורכבות, בקנה מידה ננו־מטרי. לדוגמה, חוקרים ניצלו את הספין האלקטרוני והגרעיני שקשור לזיהומים במצב מוצק כדי לבצע הדמיית תהודה מגנטית ברזולוציה של אטום יחיד. טכניקה כזאת יכולה לעזור לנו לצפות באופן ישיר במולקולות יחידות, ועל ידי כך להיטיב להבין את היסודות של הכימיה ושל הביולוגיה. וכך גם נוכל ליצור כלים חדשים לאבחון רפואי ולגילוי תרופות.

הגיע הזמן להפסיק לשאול אם מחשבים קוונטיים הם בגדר האפשר, ולהתחיל להתמקד בארכיטקטורה שלהם בקנה מידה גדול ובמה שזו תוכל לעשות. איננו יודעים איך המחשבים הקוונטיים ישנו את העולם, אך כשרשתות המחשוב הקוונטי המודולריות יתחילו לפעול, נגלה זאת במהרה.

 

גילוי נאות של קשרים מסחריים: כריסטופר ר' מונרו הוא ממייסדי ומממציאי הקניין הרוחני של ionQ, חברת הזנק המתמקדת בפיתוח של מחשבים קוונטיים אטומיים בשיטות שמתוארות במאמר זה. רוברט ג' שולקופף הוא אחד מהמייסדים, בעלי המניות וממציאי הקניין הרוחני של Quantum Circuits, חברת הזנק שמפתחת מעגלים מוליכי־על למחשוב קוונטי בהתבסס על טכניקות שתוארו כאן. מיכאיל ד' לוקין הוא אחד מהמייסדים, חברי ועדת הייעוץ וממציאי הקניין הרוחני של Quantum Diamond Technologies, חברת הזנק שמתמקדת ביישומים של חיישנים קוונטיים לאבחון רפואי, על סמך מחקרים שתוארו כאן.

 

טוב לדעת
שלוש דרכים לבנות מחשב קוונטי

מחשבים שינצלו את החוקים המוזרים של מכניקת הקוונטים יוכלו, בתיאוריה, לבצע חישובים שמחשבים קלאסיים אינם מסוגלים לבצע. אלא שככל שהמחשבים הקוונטיים גדולים יותר, קשה יותר לשַמֵר את התכונות הקוונטיות שלהם (למטה). מדענים סבורים שהפתרון לכך הוא לבנות מחשבים קוונטיים קטנים רבים, ולחבר אותם לכדי שלם גדול יותר, אסטרטגיה הקרויה מִחשוב קוונטי מודולרי. בתיבות למטה מוצגים שלושה אופני ארגון אפשריים, המבוססים על סוגים שונים של ביטים קוונטיים, או קְיוּבִּיטים. (איור: ג'ן כריסטיאנסן)

תכונה קוונטית 1: סופרפוזיציה

אטומים וחלקיקים תת־אטומיים יכולים להתקיים במצבים מרובים ואפילו במיקומים מרובים בו־זמנית. גופים קלאסיים, כגון גולות, יכולים להסתובב לכיוון אחד בלבד בכל רגע נתון, אך חלקיקים בקנה מידה אטומי יכולים להיות בשני "מצבי ספין", לדוגמה, למעלה ולמטה, בעת ובעונה אחת. מחשבים קוונטיים המנצלים את התכונה הזאת יכולים לבחון בבת אחת מספר רב של פתרונות אפשריים לבעיה.

 

תכונה קוונטית 2: שזירה

אלברט איינשטיין כינה אותה "פעולת רפאים ממרחק": השזירה מאפשרת לשני חלקיקים ליצור קשר מידי, כך שפעולה שמתבצעת על אחד מהם משפיעה על האחר, גם כשהם מרוחקים זה מזה במרחב. בתמונה למטה, החלקיקים השזורים מתחילים בסופרפוזיציה של מצבי ספין למעלה ולמטה. כשמדידה חיצונית מכריחה את החלקיקים "לבחור" מצב יחיד, הם יעשו זאת תמיד בתיאום. בהתאם לסוג השזירה, אם החלקיק הראשון הוא במצב ספין למעלה, השני יהיה תמיד במצב ספין למטה. כשקְיוּבִּיטים מרובים שזורים זה בזה, פעולה שתתבצע על אחד מהם תשפיע על כל האחרים מיד, וכך יתאפשר עיבוד מקבילי חסר תקדים.