הישג משותף ל־IBM, אוניברסיטת מנצ'סטר, אוקספורד, ETH ציריך ומוסדות נוספים מדגים כיצד שילוב בין הנדסה אטומית, מיקרוסקופיה מתקדמת ומעבדים קוונטיים עשוי לפתוח כיוון חדש במחקר חומרים ובמחשוב עתיר ביצועים
מחקר חדש שפורסם בכתב העת Science מציג הישג יוצא דופן בצומת שבין כימיה, פיזיקה, ננוטכנולוגיה ומחשוב קוונטי: חוקרים הצליחו ליצור לראשונה מולקולה בעלת מבנה אלקטרוני חדש, ולאחר מכן להשתמש במערכת מחשוב קוונטית־קלאסית כדי להבין את תכונותיה. מעבר לחשיבות המדעית, מדובר גם בהדגמה מעניינת של הכיוון שאליו צועדת תעשיית המחשוב המתקדם: שילוב בין חומרה קוונטית, אלגוריתמים ייעודיים וכלי מדידה ברמת האטום.
המחקר בוצע בשיתוף פעולה בין IBM, אוניברסיטת מנצ'סטר, אוניברסיטת אוקספורד, ETH ציריך, EPFL ואוניברסיטת רגנסבורג. החוקרים בנו את המולקולה אטום אחר אטום, ולאחר מכן נדרשו להתמודד עם אתגר מוכר בעולם החישוב המדעי: כיצד לנתח מערכת אלקטרונית מורכבת, שבה האינטראקציות הקוונטיות חזקות מכדי ששיטות חישוב קלאסיות רגילות יוכלו לתאר אותן בצורה מלאה ויעילה.
כאן נכנס לתמונה המחשוב הקוונטי. במקום להסתמך רק על שיטות פוסט־הארטרי־פוק קלאסיות, השתמש הצוות באלגוריתם SqDRIFT על מערכת מחשוב קוונטית־מרכזית, שבה מעבדים קוונטיים ומערכות קלאסיות פועלים יחד. החישובים בוצעו על חומרת IBM, כולל מעבדי Heron, והגיעו עד להיקף של 100 קיוביטים. המטרה לא הייתה להציג עוד הדגמת ביצועים תיאורטית, אלא לפרש נתוני ניסוי אמיתיים של חומר שסונתז בפועל במעבדה.
מן הזווית של CHIPORTAL, זהו החלק המעניין במיוחד. תעשיית השבבים מחפשת כיום לא רק קפיצות בביצועי עיבוד מסורתיים, אלא גם פלטפורמות חישוב חדשות שיאפשרו לטפל בבעיות שמחשוב קלאסי מתקשה לפתור בקנה מידה סביר. חישוב מבנים אלקטרוניים של מולקולות מורכבות, חומרים קוונטיים, התקנים ננומטריים ורכיבים עתידיים הוא בדיוק אחד התחומים שבהם עשוי להתגבש יתרון למערכות היברידיות כאלה. במקרה הזה, המחשב הקוונטי שימש ככלי מחקר של ממש, ולא רק כהבטחה לעתיד.
החוקרים יצרו את המולקולה באמצעות מיקרוסקופיית גישוש סורקת על שכבת בידוד דקה מעל מצע זהב, בטמפרטורות נמוכות מאוד. לשם כך נעשה שימוש בשלושה כלים מרכזיים ש־IBM מזוהה עמם היסטורית: המיקרוסקופ המנהר הסורק (STM), טכניקות להזזת אטומים בודדים, ומיקרוסקופ הכוח האטומי (AFM). זהו למעשה חיבור בין שלושה דורות של פריצות דרך: מדידה אטומית, שליטה ישירה באטומים, וכעת גם פרשנות קוונטית של החומר שנבנה.
לפי החוקרים, המבנה האלקטרוני של המולקולה החדשה יוצר מחלקה חדשה של חומר קוונטי. אך גם בלי להיכנס לכל העומק המתמטי, החשיבות התעשייתית ברורה: היכולת לתכנן חומר ברמת האטום ולנתח אותו באמצעות מחשוב קוונטי עשויה בעתיד להשפיע על תחומים כמו גילוי חומרים חדשים, פיתוח רכיבים מולקולריים, תכנון זיכרונות והתקנים קוונטיים, ואף אופטימיזציה של חומרים לתעשיית השבבים.
במילים אחרות, המחקר הזה אינו רק הישג אקדמי. הוא מסמן כיוון אסטרטגי: מעבר מעולם שבו מחשוב קוונטי הוא הדגמת יכולת, לעולם שבו הוא מתחיל להשתלב בשרשרת הערך של מחקר חומרים ומו"פ מתקדם. עבור חברות שבבים, ספקיות תשתיות מחשוב ומפתחי מערכות HPC, זו אינדיקציה נוספת לכך שהעתיד אינו טמון רק בעוד ליבה קלאסית מהירה יותר, אלא גם בשילוב בין ארכיטקטורות שונות, כל אחת לבעיה המתאימה לה.
אם המגמה הזו תימשך, המחשב הקוונטי עשוי להפוך בשנים הקרובות לכלי משלים משמעותי בארגז הכלים של מהנדסי חומרים, פיזיקאים חישוביים ומפתחי הדור הבא של רכיבים מתקדמים. עבור תעשיית השבבים, זו אינה רק שאלה מדעית, אלא גם שאלה של יתרון תחרותי עתידי.
