מיחשוב קוונטי בטמפרטורת החדר

חוקרים מצבא ארה"ב חוזים כי מעגלי מחשוב קוונטיים שלא יזדקקו עוד לטמפרטורות נמוכות במיוחד בכדי לתפקד יהפכו למציאות בתוך כעשור שנים

[תרגום מאת ד"ר נחמני משה]

מזה שנים שטכנולוגיה קוונטית במצב מוצק המתפקדת היטב בטמפרטורת החדר נראתה כהישג מרוחק. הגם שהיישום של גבישים שקופים בעלי חוסר ליניאריות אופטית הגיחו לעולם המדע בתור הבסיס הסביר ביותר לאבן דרך זו, הסבירות למערכת כזו נותרה תמיד נמוכה. כעת, מדענים מצבא ארה"ב אימתו באופן רשמי את ההיתכנות של גישה זו. החוקר ד"ר Kurt Jacobs ממעבדת המחקר של צבא ארה"ב, בשיתוף פעולה עם החוקרים ד"ר Mikkel Heuck ופרופסור Dirk Englund מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, הפכו לראשונים שהצליחו להדגים את ההיתכנות של שער לוגי קוונטי המורכב ממעגלים פוטוניים וגבישים אופטיים.
"אם התקנים עתידיים העושים שימוש בטכנולוגיות קוונטיות יזדקקו לקירור עד כדי טמפרטורות נמוכות במיוחד, צורך זה יהפוך אותם ליקרים, למגושמים ולזוללי אנרגיה", אמר החוקר הראשי. "המחקר שלנו מתמקד בפיתוח מעגלים פוטוניים עתידיים שיוכלו לנצל את המנגנון של שזירה קוונטית לשם פיתוח התקנים קוונטיים הפועלים בטמפרטורת החדר". טכנולוגיה קוונטית מציעה מגוון של התקדמויות עתידיות בתחומים של מחשוב, תקשורת וחישה מרחוק.

על מנת לבצע כל פעולה שהיא, מחשבים רגילים פועלים על סמך מידע מוגדר לחלוטין. המידע עצמו מאוחסן בביטים רבים, שכל אחד מהם יכול להיות מופעל (1) או כבוי (0). מחשב רגיל, המקבל קלט המוגדר על ידי ביטים, יכול לעבד את הקלט הזה על מנת ליצור תשובה, שגם היא ניתנת כמספר. מחשב רגיל מעבד קלט אחד בכל פעם. בניגוד לכך, מחשבים קוונטיים מאחסנים מידע בצורת קיוביטים (qubits, וויקיפדיה) היכולים להיות במצב מיוחד שבו הם גם מופעלים וגם כבויים בו זמנית. מצב זה מאפשר למחשב קוונטי לבדוק את התשובות למספר גדול של סוגי קלט בו זמנית. הגם שמחשב כזה אינו יכול להציג את כל התשובות בו זמנית, הוא יכול להציג את יחסי הגומלין שבין התשובות השונות, מצב המאפשר לפתור בעיות מסוימות באופן מהיר בהרבה מאשר במחשב רגיל.

לרוע המזל, אחד מהחסרונות המשמעותיים של מערכות קוונטיות הוא השבריריות של המצבים המיוחדים של הקיוביטים. רוב החומרה המשמשת בטכנולוגיה קוונטית חייבת להישמר בטמפרטורות קרות באופן קיצוני – קרוב לאפס המוחלט – על מנת למנוע את הריסתם של המצבים המיוחדים הללו בעקבות תגובה עם הסביבה בה מצוי המחשב. "כל תגובה של קיוביט עם כל דבר אחר בסביבתו תגרום להרס מצבו הקוונטי", מסביר החוקר. "למשל, אם הסביבה היא גז של חלקיקים, הרי ששמירה על המערכת בטמפרטורה נמוכה במיוחד תגרום למולקולות הגז לנוע באיטיות, כך שהן לא יתנגשו בתכיפות גדולה במעגלים הקוונטיים".

חוקרים השקיעו מאמצים רבים על מנת לפתור את הבעיה הזו, אולם פתרון מוחלט טרם נמצא. כרגע, מעגלים פוטוניים הכוללים בתוכם גבישים אופטיים לא-ליניאריים הגיחו בתור הפתרון הסביר היחידי לפיתוח מחשוב קוונטי בשילוב עם מערכות במצב מוצק בטמפרטורת החדר. "מעגלים פוטוניים הם מעט כמו מעגלים חשמליים, למעט העובדה כי הם מנצלים אור במקום אותות חשמליים", מציין החוקר. "למשל, אנו יכולים לייצר תעלות בתוך חומר שקוף, תעלות שבהן יוכלו לנוע הפוטונים, בדומה לאותות חשמליים הנעים לאורך תילים מוליכי חשמל". שלא כמו מערכות קוונטיות העושות שימוש ביונים או באטומים על מנת לאחסן מידע, מערכות קוונטיות העושות שימוש בפוטונים יכולות לעקוף את מגבלת הטמפרטורה הנמוכה. אולם, הפוטונים עדיין חייבים להגיב עם פוטונים אחרים על מנת לבצע פעולות לוגיות. זהו השלב שבו גבישים אופטיים לא לינאריים נכנסים לפעולה.

חוקרים יכולים ליצור חללים בתוך הגבישים וחללים אלו מסוגלים ללכוד בתוכם באופן זמני פוטונים. באמצעות שיטה זו, המערכת הקוונטית יכולה להשיג שני מצבים אפשריים של קיוביט: חלל המאחסן פוטון (מופעל) וחלל ללא פוטון (כבוי). קיוביטים אלו בתורם יכולים ליצור שערים לוגיים קוונטיים המייצרים את התשתית למצבים המיוחדים. במילים אחרות, חוקרים יכולים לנצל את מצבו הזמני של החלל שבגביש (מלא בפוטון או ריק) על מנת לייצג קיוביט. השערים הלוגיים מתפקדים על בסיס שני קיוביטים יחדיו, תוך יצירת שזירה קוונטית ביניהם. שזירה זו מיוצרת אוטומטית במחשב קוונטי, והיא המנגנון הנדרש על מנת לפתח גישות קוונטיות שיוכלו לשמש ביישומים של חישה. אולם, מדענים התומכים ברעיון של יצירת שערים לוגיים קוונטיים תוך שימוש בגבישים אופטיים לא ליניאריים התבססו על השערה בלבד – עד עכשיו. למרות שרעיון זה מציג הבטחה כבירה לעתיד, עדיין נותרו ספקות באשר ליכולת של שיטה זו להוביל לפיתוחם של שערים לוגיים מעשיים. היישום של גבישים אופטיים לא ליניאריים היה בסימן שאלה עד אשר החוקרים הציגו דרך ליישם שער לוגי קוונטי תוך שימוש בגישה זו על בסיס רכיבים קיימים של שערים קוונטיים. "הבעיה הייתה שאם פוטון יחיד נע בתוך תעלה, אותו פוטון סוחב מאחוריו 'חבילת גל' בעלת צורה מוגדרת," מסביר החוקר הראשי. "עבור שער קוונטי, יש צורך שחבילות הגל הפוטוניות תישארנה באותה צורה גם לאחר הפעלת השער. מאחר וחוסר ליניאריות הורס את חבילות הגל, השאלה הייתה האם נוכל למלא את החלל בחבילת הגל, לגרום להן להגיב באופן לא ליניארי ואז לגרום לפליטת הפוטונים שוב תוך שמירת הצורה המקורית של חבילת הגל". מרגע שהם עיצבו את השער הלוגי הקוונטי המתאים, החוקרים ביצעו מספר הדמיות מחשב של פעולת השער על מנת להדגים שמערכת כזו יכולה, בתיאוריה, לתפקד כנדרש.

בנייה מעשית של שער לוגי קוונטי בשיטה זו יחייב קודם כל שיפורים משמעותיים באיכותם של רכיבים פוטוניים מסוימים, מסבירים החוקרים. "על סמך ההתקדמות שהושגה במהלך העשור האחרון, אנו חוזים כי נצטרך כעשור נוסף על מנת להשיג את השיפורים הנדרשים", אמר החוקר. "יחד עם זאת, התהליך של הטענת ופליטת חבילת גל מבלי לעוות את הצורה שלה הוא התהליך שיאפשר לנו להשיג את הטכנולוגיה הזו, שכיום היא תיאורטית בלבד".

ממצאי המחקר פורסמו זה מכבר בכתב העת המדעי Physical Review Letters.

פרטי המאמר

הידיעה על המחקר

עוד באותו הנושא:

“יש עדיין צורך לחקור את כל השיטות לחישוב קוונטי, לפני שניתן יהיה לבנות מחשב קוונטי אוניברסלי”
האם עלינו לדאוג ממחשבים קוונטיים
שבב פוטוני חדש מבטיח מחשבים קוונטיים עם יותר חוסן