מערכת למידת מכונה שפיתח צוות חוקרים בין־לאומי עשויה לקצר את השלב הראשוני בחיפוש אחר חומרים חדשים לתעשיית המוליכים למחצה. במקום לסרוק מספר עצום של תרכובות אפשריות באמצעות ניסויי מעבדה או חישובים קוונטיים עתירי משאבים, המערכת מקבלת פער אנרגיה רצוי ומציעה הרכבים כימיים מבוססי גליום שעשויים להציג אותו.

המחקר נערך בהובלת חוקרים מאוניברסיטת פלינדרס באוסטרליה ומאוניברסיטת ח'ליפה באיחוד האמירויות, ופורסם בכתב העת ACS Materials Letters. השיטה משלבת מודל חיזוי המבוסס על אלגוריתם השכנים הקרובים ביותר – K-Nearest Neighbors או KNN – עם אופטימיזציה בייסיאנית וסינון של נוסחאות שאינן סבירות מבחינה כימית.

המטרה אינה רק לחזות את פער האנרגיה של חומר מוכר, אלא לבצע תכנון הפוך: להתחיל בתכונה האלקטרונית המבוקשת ולחפש תרכובות שעשויות לספק אותה.

חיפוש ממוקד במקום סריקה ממצה

אחד האתגרים המרכזיים בפיתוח חומרי שבבים הוא גודלו של המרחב הכימי. גם כאשר החיפוש מוגבל לתרכובות המכילות גליום, ניתן ליצור מספר עצום של שילובים בין יסודות, יחסים סטויכיומטריים ומצבי חמצון.

שיטות המבוססות על תורת פונקציונל הצפיפות, DFT, מאפשרות לחשב את המבנה האלקטרוני של חומרים בדיוק גבוה יחסית, אך ביצוע חישובים כאלה עבור כל תרכובת אפשרית דורש זמן ומשאבי מחשוב רבים. ניסוי וסינתזה במעבדה יקרים ואיטיים עוד יותר.

הגישה שהציגו החוקרים אינה מנסה לבצע חישוב מלא לכל מועמד. היא משתמשת בנתונים שנאספו על אלפי מוליכים למחצה מוכרים כדי ללמוד את הקשר בין ההרכב הכימי לבין פער האנרגיה. החוקרים בחנו כמה מודלים של רגרסיה, ומצאו כי מודל KNN סיפק את הביצועים הטובים ביותר, עם מקדם התאמה R² של 0.812.

המודל משמש כמודל מחליף, או surrogate model, שמספק הערכה מהירה וזולה יחסית של תכונות החומר. מעליו פועלת האופטימיזציה הבייסיאנית, שבוחרת בכל שלב את המועמדים שכדאי לבחון בהמשך. האלגוריתם מאזן בין התמקדות באזורים שבהם כבר נמצאו תוצאות מבטיחות לבין בדיקת אזורים חדשים במרחב החיפוש.

באמצעות התהליך ביקשו החוקרים לייצר תרכובות מבוססות גליום עם פערי אנרגיה מוגדרים מראש בטווח שבין 0.5 ל־3.5 אלקטרון־וולט.

סינון כימי לפני המלצה על חומר

מודל למידת מכונה עלול להציע נוסחאות שנראות מתאימות מבחינה מתמטית, אך אינן יכולות להתקיים כחומרים אמיתיים. כדי לצמצם את הבעיה שילבו החוקרים את מערכת SMACT, המבצעת בדיקות ראשוניות של סבירות כימית.

הסינון בוחן בין היתר איזון מטענים, מצבי חמצון אפשריים, התאמה בין היסודות וסבירות פיזיקלית בסיסית. רק מועמדים שעברו את הבדיקות הוחזרו לתהליך האופטימיזציה.

לאחר השלמת החיפוש דיווחו החוקרים כי ההרכבים שהציעה המערכת היו ייחודיים ולא הופיעו בנתוני האימון. שיעור גבוה יותר של תרכובות שעברו את סינון SMACT התקבל בחיפוש אחר פערי אנרגיה שבין 1.5 ל־2.5 אלקטרון־וולט.

עם זאת, מעבר של סינון SMACT אינו מוכיח שהחומר יציב תרמודינמית, שאפשר לסנתז אותו או שניתן לגדלו כשכבה גבישית באיכות המתאימה לייצור רכיבים. לשם כך נדרשים חישובי DFT מפורטים יותר, בחינת מבנים גבישיים, סינתזה במעבדה ומדידה של התכונות החשמליות והאופטיות.

המשמעות האפשרית לתעשיית השבבים

פער האנרגיה הוא אחד המשתנים המרכזיים הקובעים את התאמתו של מוליך למחצה ליישום מסוים. חומרים בעלי פער קטן עשויים להתאים לגלאי אינפרה־אדום וליישומים פוטו־וולטאיים מסוימים. פערים בינוניים רלוונטיים לרכיבים אופטיים, לדיודות פולטות אור ולפוטוניקה, ואילו חומרים רחבי פער משמשים בפיתוח רכיבי הספק, אלקטרוניקה לטמפרטורות גבוהות ומערכות העמידות למתחים ולקרינה.

תרכובות גליום כבר תופסות מקום חשוב בתעשייה. גליום ארסניד משמש ברכיבי תדר רדיו, במערכות תקשורת ובאופטואלקטרוניקה; גליום ניטריד נמצא ברכיבי הספק, בתחנות בסיס ובמערכות תאורה; ותחמוצת גליום נחקרת כחומר רחב־פער לדורות עתידיים של רכיבי מתח גבוה.

השיטה החדשה אינה מציעה תחליף מיידי לחומרים אלה ואינה מוכיחה כי נמצא חומר מתאים לייצור מסחרי. תרומתה האפשרית נמצאת בשלבים מוקדמים יותר של שרשרת המחקר: צמצום של מיליוני אפשרויות לרשימה קצרה של מועמדים שניתן לבחון בחישובים מדויקים ובמעבדה.

עבור יצרני חומרים, חברות רכיבים ומכוני מחקר, תהליך כזה עשוי להפחית את מספר החישובים והניסויים שאינם מובילים לתוצאה. הוא גם עשוי לאפשר חיפוש ממוקד של חומר המותאם לדרישה הנדסית מסוימת, במקום הסתפקות בחומרים שתכונותיהם כבר מוכרות.

המחקר מדגים את התרחבות השימוש בבינה מלאכותית בתעשיית השבבים מעבר לתכנון מעגלים, אימות ותהליכי ייצור. במקרה זה, האלגוריתם משתלב בשלב שקודם לתכנון הרכיב עצמו – בחירת החומר שממנו ייוצר.

המאמר המדעי:
Tarek Khater ואחרים, “Bayesian Optimization-Guided Discovery of Gallium-Containing Semiconductors with Targeted Band Gaps”, ‏ACS Materials Letters, כרך 8, גיליון 5, עמודים 1375–1381, 2026.
DOI: 10.1021/acsmaterialslett.5c01482

הפוסט בינה מלאכותית מציעה חומרי גליום עם פער אנרגיה לפי דרישה הופיע לראשונה ב-Chiportal.

לייזרים אולטרה־מהירים הם כלי עבודה חשובים במדע ובטכנולוגיה. הם מפיקים פולסים קצרים במיוחד, בסדר גודל של פמטו־שניות, ומשמשים בין היתר במדידת תהליכים מהירים, בספקטרוסקופיה, בשעונים אטומיים, בעיבוד חומרים וביישומים רפואיים. הבעיה היא שמערכות כאלה הן לרוב גדולות, יקרות ומורכבות לתפעול. מחקר חדש של חוקרי EPFL, שפורסם ב־Nature, מציג דרך להקטין חלק מהיכולות האלה לשבב פוטוני. (Nature)

החוקרים הדגימו לייזר נעול־מצבים משולב, המבוסס על שבב סיליקון ניטריד שבו הושתלו יוני ארביום. לפי המאמר, הלייזר מפיק רכבת פולסים בתדירות 176 מגה־הרץ, עם אנרגיית פולס בתחום הננו־ג’ול, וניתן לדחוס את הפולסים ל־147 פמטו־שניות. הנתונים האלה חשובים משום שמקורות פוטוניים משולבים קודמים התקשו לספק אנרגיית פולס מספקת לתהליכים לא־ליניאריים, כמו יצירת סופר־קונטינואום.

לא רק מזעור

הכותרת המתבקשת היא “לייזר על שבב”, אך הסיפור אינו רק גודל. בלייזרים אולטרה־מהירים, השאלה המרכזית היא לא רק אם אפשר לייצר פולסים קצרים, אלא אם הם חזקים, יציבים וקוהרנטיים מספיק כדי להניע יישומים ממשיים. Nature מדווח כי המערכת החדשה מפיקה אנרגיית פולס שגדולה ביותר משני סדרי גודל ממקורות פוטוניים משולבים קודמים, ומתקרבת מבחינה זו לביצועי לייזרי סיב גדולים יותר.

המערכת מבוססת על ארכיטקטורה המכונה Mamyshev oscillator. במקום להסביר אותה כ”קסם אופטי”, נכון יותר לתאר אותה כמנגנון סינון ובקרה: האור עובר הרחבה ספקטרלית בתווך לא־ליניארי, ולאחר מכן מסננים אופטיים מאפשרים רק לחלק מהאור להמשיך להסתובב בחלל הלייזר. בדרך זו פולסים חזקים נשמרים ומתעצבים, ואילו רכיבים חלשים יותר מסוננים החוצה.

שבב במקום שולחן אופטי

על פי הודעת EPFL, השבב מציג ארכיטקטורת לייזר שבעבר הייתה מוגבלת למערכות גדולות יותר, ומכווץ אותה לקנה מידה של מילימטרים. בתמונה שפרסמה האוניברסיטה נראה השבב מונח על מטבע של פרנק שווייצרי אחד, כדי להמחיש את קנה המידה.

המשמעות האפשרית היא מעבר הדרגתי ממערכות אופטיות גדולות ומורכבות אל רכיבים שמיוצרים בטכנולוגיות של שבבים. ייצור כזה עשוי לאפשר בעתיד התקנים קומפקטיים יותר, יציבים יותר וזולים יותר, אם הפיתוח יבשיל לייצור רחב. כאן חשוב להיזהר: המחקר מציג הדגמה מדעית מתקדמת, לא מוצר מסחרי מיידי.

מה אפשר לעשות עם פולסים כאלה

במאמר ב־Nature מדווחים החוקרים כי הלייזר הצליח להניע ישירות יצירת סופר־קונטינואום במוליך גל מסיליקון ניטריד, ללא הגברה נוספת. סופר־קונטינואום הוא אור רחב־ספקטרום שנוצר מתהליכים לא־ליניאריים, והוא שימושי למדידות, ספקטרוסקופיה, מטרולוגיה ויישומים נוספים.

החוקרים גם הדגימו ספקטרומטר קומפקטי בתחום הטרה־הרץ שהופעל באמצעות המקור החדש, עם רוחב פס של 5 טרה־הרץ וטווח דינמי של 90 דציבל. לפי Nature, המערכת שימשה להדגמת ניתוח כימי ללא מגע ובדיקה של חומרים. אלה עדיין הדגמות מחקר, אך הן מראות שהפולסים אינם רק נתון מספרי יפה, אלא יכולים להניע מערכת מדידה שלמה.

חשיבות לשבבים ולפוטוניקה משולבת

הפיתוח משתלב במגמה רחבה יותר: העברת רכיבים אופטיים שהיו בעבר חיצוניים, גדולים ומדויקים מאוד אל שבבים פוטוניים. בדומה לשבבים אלקטרוניים, גם שבבים פוטוניים יכולים להיבנות בפרוסות שבבים, לשלב כמה פונקציות על אותו רכיב ולהתחבר למערכות אחרות. אם לייזרים אולטרה־מהירים יוכלו להשתלב בדרך זו, הם עשויים להרחיב את השימוש בכלי מדידה מתקדמים מחוץ למעבדות ייעודיות.

עבור CHIPORTAL, הזווית המרכזית היא פוטוניקה משולבת וייצור רכיבים אופטיים בקנה מידה של שבבים. עבור הידען, הזווית הרחבה יותר היא מדע מדידה: כלי קטן יותר למדוד תהליכים מהירים, לזהות חומרים, לשפר ספקטרוסקופיה ולפתח מערכות חישה ניידות. בשני המקרים, הניסוח הנכון הוא לא “מהפכה מיידית”, אלא שלב חשוב בהקטנת טכנולוגיה אופטית מתקדמת.

למאמר המדעי

FAQ קצר:

מהו לייזר פמטו־שניות? לייזר שמפיק פולסים קצרים במיוחד, בסדר גודל של קוודריליונית השנייה.
מה חדש במחקר שלEPFL? החוקרים הצליחו לשלב על שבב פוטוני מקור שמפיק פולסים קצרים ובעלי אנרגיה גבוהה יחסית למערכות משולבות קודמות.
האם מדובר במוצר מסחרי? לא. זו הדגמה מחקרית, אך היא מצביעה על כיוון ליישומים קומפקטיים יותר בעתיד.


הפוסט לייזר פמטו־שניות הוקטן לשבב פוטוני הופיע לראשונה ב-Chiportal.

צוות מחקר גרמני־ישראלי הדגים שיטה לא הרסנית לבדיקת סרטים דקים מבוססי MXene במהלך ייצור רכיבים זעירים. השיטה, אליפסומטריית הדמיה, מאפשרת למפות את עובי הסרט, את אחידותו ואת תכונותיו החשמליות בלי לגעת ברכיב ובלי לפגוע בו. המחקר פורסם בכתב העת Applied Physics Letters ונבחר כ־Editor’s Pick.

MXenes הם חומרים דו־ממדיים שיכולים לשמש אבני בניין לרכיבים אלקטרוניים ופוטוניים בקנה מידה מיקרוסקופי. באוניברסיטת תל אביב נחקרים סרטים דקים ומובנים של MXene כאלקטרודות אחוריות בגלאי אור מהדור הבא. ברכיבים כאלה, אפילו שינוי קטן בעובי או באחידות הסרט עלול להשפיע על ביצועי המכשיר, ולכן נדרשת שיטת מדידה רגישה שאינה פוגעת ברכיב.

לראות גם את המבנה וגם את התפקוד

אליפסומטריה מבוססת על מדידת שינויי הקיטוב של אור המוחזר מפני הדגימה. מהשינויים האלה אפשר להסיק נתונים כמותיים על הסרט הדק, ובהם עובי, הרכב ותכונות הקשורות להעברת מטען. במקרה של סרטים דקים מאוד, השיטה רגישה גם להבדלים מקומיים קטנים בין אזורים שונים של הרכיב.

ייחודה של הגישה שהודגמה במחקר הוא בכך שהיא אינה רק “מצלמת” את המבנה. היא מאפשרת לקבל מידע על תפקוד החומר והרכיב בזמן תהליך הייצור. בכך היא יכולה לשמש כלי לבקרת איכות, לאיתור בעיות מקומיות ולשיפור תהליכים ליתוגרפיים המשמשים ליצירת מבנים זעירים.

שילוב בין מדידה נקודתית למיפוי מלא

החוקרים השתמשו בשתי גישות משלימות. הראשונה היא מיקרו־אליפסומטריה ספקטרוסקופית, הזמינה באוניברסיטה העברית בירושלים. גישה זו מאפשרת מדידות נקודתיות ברזולוציה גבוהה, ולכן מתאימה לבדיקות מהירות של אזורים מוגדרים ברכיב ולמעקב אחר איכות הדגימות במהלך הייצור.

הגישה השנייה היא אליפסומטריית הדמיה ספקטרוסקופית, שבוצעה במרכז הלמהולץ ברלין. מערכת זו מאפשרת מיפוי מרחבי של רכיבים שלמים, ובשילוב אופטיקה ייחודית מגיעה לרזולוציה צדית של עד מיקרון אחד. כך אפשר לחבר בין תמונה בקנה מידה של מילימטרים לבין פרטים מקומיים בקנה מידה מיקרוני.

במחקר הודגמו מפות של מבני “מסרק” קיבוליים המבוססים על MXene, ובהן נמדדו עובי הסרט ותכונות הקשורות להולכה. באחת הדוגמאות דווח על סרט בעובי ממוצע של 5.4 ננומטר בלבד, ובכל זאת ניתן היה לזהות שונות מקומית בתוך המבנה.

מעקב אחרי תהליך הייצור בזמן אמת

אחד היתרונות המרכזיים של השיטה הוא היכולת לעקוב אחר שינויים שמתרחשים במהלך שלבי עיבוד, למשל בפיתוח שכבת פוטורזיסט בתהליך ליתוגרפי. שינויים כאלה משפיעים על התגובה האופטית של החומר, ולכן אפשר לזהותם בלי לחבר אלקטרודות, בלי לגרד את הדגימה ובלי להרוס את הרכיב.

יכולת זו חשובה במיוחד ברכיבים מבוססי חומרים דו־ממדיים. בחומרים כאלה, שכבות דקות מאוד נושאות חלק גדול מהפונקציונליות של המכשיר. לכן בקרת איכות לא הרסנית יכולה לקצר תהליכי פיתוח, להפחית כשלים ולסייע בהעברת חומרים חדשים ממעבדה ליישומים.

החוקרים מציינים כי השיטה אינה מוגבלת ל־MXene בלבד. היא יכולה לשמש גם למדידת מגוון רחב של חומרים איזוטרופיים ואנאיזוטרופיים, ובכללם חומרים דו־ממדיים נוספים. לכן היא עשויה להיות רלוונטית לפיתוח רכיבים ננו־אלקטרוניים, פוטוניים וחיישנים עתידיים.

למאמר המדעי DOI: 10.1063/5.0314586

הפוסט שיטה אופטית חדשה מאפשרת לבדוק סרטי MXene דקים בלי לפגוע ברכיב הופיע לראשונה ב-Chiportal.

מכון קמפנר לחקר הבינה הטבעית והמלאכותית באוניברסיטת הרווארד והמרכז למדעי המוח על שם אדמונד ולילי ספרא, ELSC, באוניברסיטה העברית בירושלים, הודיעו על שיתוף פעולה חדש בתחום NeuroAI. זהו תחום מחקר מתפתח המחבר בין  מדעי המוח, בינה מלאכותית, מדעי הקוגניציה ולמידת מכונה.

שיתוף הפעולה נועד לחזק את הקשרים בין קהילות המחקר בשני המוסדות. הוא יכלול חילופי ידע בין חברי סגל וחוקרים צעירים, סדנאות, מפגשים אקדמיים ופעילויות משותפות נוספות. מטרת המהלך היא להניח תשתית ליוזמות מחקר עתידיות, שיבחנו כיצד מערכות ביולוגיות ומערכות מלאכותיות לומדות, מייצגות מידע, חוזות אירועים ומתאימות את התנהגותן לסביבות מורכבות.

תחום NeuroAI מבקש להבין אינטליגנציה על פני רצף רחב של מערכות, מהמוח האנושי ומוחות בעלי חיים ועד מודלים חישוביים ומערכות בינה מלאכותית. מצד אחד, חוקרים משתמשים בכלי AI מתקדמים כדי לפענח כיצד המוח לומד, מחשב ומסתגל. מצד אחר, הם שואבים השראה ממערכות ביולוגיות כדי לפתח מערכות AI יעילות, יציבות ואמינות יותר.

מכון קמפנר בהרווארד הוא מכון בין־תחומי העוסק בחקר אינטליגנציה במערכות טבעיות ומלאכותיות, ומאגד חוקרים בתחומים כמו למידת מכונה, מדעי המוח ומדעי הקוגניציה. לפי אתר המכון, משימתו המרכזית היא לקדם את חקר האינטליגנציה ולפתח פתרונות לבעיות מורכבות לטובת האנושות. (Kempner Institute)

המרכז למדעי המוח על שם אדמונד ולילי ספרא באוניברסיטה העברית הוא אחד המרכזים הבולטים בישראל למדעי המוח החישוביים. לפי אתר המרכז, ELSC פועל לחיבור בין מחקר קוגניטיבי, ביולוגי וחישובי, במטרה לקדם תגליות חדשות בחקר המוח. (elsc.huji.ac.il)

שיתוף הפעולה החדש נשען גם על קשרים קיימים בין החוקרים בשני המוסדות. בין הדמויות המחברות בין הקהילות נמצא פרופ' חיים סומפולינסקי, חבר סגל עמית במכון קמפנר ופרופסור אמריטוס ב־ELSC; פרופ' דפנה ויינשל מהאוניברסיטה העברית, המשמשת חוקרת אורחת במכון קמפנר; וד"ר יונתן קדמון מ־ELSC, שהיה בעבר חוקר אורח בהרווארד.

המהלך משקף מגמה רחבה יותר במדעי המוח ובבינה מלאכותית: מעבר ממחקר נפרד של מוח ומחשב אל חקר משותף של עקרונות אינטליגנציה. בתחום זה, הבנת המוח עשויה לסייע בבניית מערכות AI טובות יותר, ואילו כלי בינה מלאכותית עשויים לספק למדענים דרכים חדשות לנתח פעילות מוחית ולפענח מנגנוני למידה, זיכרון וקבלת החלטות.

בהודעה על שיתוף הפעולה נמסר כי שני המוסדות רואים בו צעד לקידום  מדע האינטליגנציה ולתרגום תובנות בסיסיות מביולוגיה ומחישוב לטכנולוגיות עתידיות. עבור האוניברסיטה העברית, החיבור להרווארד בתחום NeuroAI מחזק את מעמדה בזירה הבין־לאומית של מדעי המוח החישוביים והבינה המלאכותית.

הפוסט הרווארד והאוניברסיטה העברית ישתפו פעולה במחקר NeuroAI הופיע לראשונה ב-Chiportal.

מהנדסים מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו פיתחו אבטיפוס לשבב חדש שנועד לשפר את הדרך שבה מועבר חשמל למעבדים גרפיים, GPUs, במרכזי נתונים. המחקר, שפורסם ב־Nature Communications, עוסק באחד האתגרים הבסיסיים של מערכות מחשוב מודרניות: כיצד להמיר ביעילות מתח חשמלי גבוה למתח נמוך בהרבה, הדרוש להפעלת רכיבי מחשוב רגישים.

מרכזי נתונים מודרניים צורכים כמויות הולכות וגדלות של חשמל, בעיקר בשל הביקוש למחשוב עתיר ביצועים ולבינה מלאכותית. ברוב המערכות האלה החשמל מופץ במתח של 48 וולט, אך המעבדים הגרפיים עצמם זקוקים בדרך כלל למתח נמוך בהרבה, בטווח של 1 עד 5 וולט. תהליך ההמרה הזה, המכונה DC-DC step-down conversion, חיוני כמעט בכל מערכת אלקטרונית, אך הוא נעשה מאתגר יותר ככל שהמערכות חזקות וצפופות יותר.

ממירי מתח מקובלים מבוססים בדרך כלל על רכיבים מגנטיים, בעיקר סלילים. במשך השנים שופרו רכיבים אלה מאוד, אך החוקרים מציינים כי הם מתקרבים למגבלות המעשיות שלהם. לפי פרופ' פטריק מרסייה, מהמחלקה להנדסת חשמל ומחשבים בבית הספר להנדסה ג'ייקובס באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, התכנון של ממירים אינדוקטיביים הגיע לרמה גבוהה כל כך עד שנותר מעט מקום לשיפור משמעותי לקראת צורכי הדורות הבאים.

הגישה החדשה מבוססת על מהודים פיאזואלקטריים. בניגוד לסלילים, המאחסנים ומעבירים אנרגיה באמצעות שדות מגנטיים, מהודים פיאזואלקטריים עושים זאת באמצעות תנודות מכניות. עקרונית, רכיבים כאלה עשויים להיות קטנים יותר, בעלי צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, יעילים יותר ומתאימים יותר לייצור בקנה מידה גדול. עם זאת, גרסאות קודמות של ממירים פיאזואלקטריים התקשו לשמור על יעילות גבוהה כאשר נדרש פער גדול בין מתח הכניסה למתח היציאה.

כדי להתמודד עם הקושי הזה, צוות המחקר פיתח תכנון היברידי. הוא משלב מהוד פיאזואלקטרי עם קבלים קטנים וזמינים מסחרית, המסודרים בתצורה ייחודית. הסידור הזה מאפשר למעגל להתמודד טוב יותר עם ירידת מתח גדולה, מפחית איבודי אנרגיה ומקטין את העומס על המהוד עצמו.

בניסוי המעבדה הצליח אבטיפוס השבב להמיר מתח של 48 וולט ל־4.8 וולט, רמה המקובלת במרכזי נתונים. יעילות השיא שנמדדה הייתה 96.2%. בנוסף, השבב סיפק זרם יציאה גבוה פי ארבעה בערך לעומת תכנונים פיאזואלקטריים קודמים. המשמעות היא שהטכנולוגיה אינה רק חסכונית יותר, אלא גם מתקרבת יותר ליכולת אספקת הספק הדרושה למערכות מחשוב מעשיות.

למרות התוצאות המבטיחות, החוקרים מדגישים כי מדובר עדיין בטכנולוגיה בשלבי פיתוח. ממירים פיאזואלקטריים אינם צפויים להחליף מיד את ממירי המתח הקיימים. יש צורך בשיפור נוסף של החומרים, המעגלים ושיטות האריזה. אחד האתגרים המעשיים הוא שהמהודים הפיאזואלקטריים רוטטים בזמן הפעולה, ולכן אי אפשר בהכרח לחבר אותם ללוחות מעגלים בשיטות הלחמה רגילות. שילובם במערכות אלקטרוניות יחייב שיטות אינטגרציה חדשות.

עם זאת, המחקר מצביע על כיוון אפשרי לשיפור יעילות האנרגיה של מרכזי נתונים. גם שיפור קטן בהמרת מתח יכול להיות משמעותי כאשר הוא מוכפל במיליוני רכיבים שפועלים ברציפות. בעידן שבו מעבדים גרפיים הפכו לתשתית מרכזית של בינה מלאכותית, כל חיסכון באנרגיה, חום ושטח עשוי להשפיע על עלויות התפעול ועל היכולת להרחיב מערכות מחשוב.

המחקר בוצע בידי ג'יי־יאנג קו, ון־צ'ין ב' ליו ופטריק פ' מרסייה, ופורסם ב־17 במרץ 2026 ב־Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-026-70494-0.

FAQ מהיר

מה עושה השבב החדש?
השבב ממיר מתח גבוה למתח נמוך יותר, הדרוש להפעלת רכיבים אלקטרוניים כמו מעבדים גרפיים במרכזי נתונים.

מה החידוש בטכנולוגיה?
במקום להסתמך בעיקר על סלילים מגנטיים, השבב משתמש במהוד פיאזואלקטרי ובקבלים קטנים כדי לבצע את המרת המתח ביעילות גבוהה.

האם השבב כבר מוכן לשימוש מסחרי?
לא. החוקרים מדגישים כי מדובר באבטיפוס מעבדתי. נדרשים עוד שיפורים בחומרים, במעגלים ובשיטות האריזה לפני שימוש במרכזי נתונים.

הפוסט שבב חדש עשוי לשפר את יעילות האנרגיה של מעבדים גרפיים במרכזי נתונים הופיע לראשונה ב-Chiportal.

סקטור הטכנולוגיה, ובעיקר מניות השבבים, חזרו בשבוע האחרון למרכז תשומת הלב של המשקיעים בוול סטריט. לפי סקירת ההשקעות השבועית מ-3 במאי 201126 של הבנק הבינלאומי, הדוחות החזקים של חמש ענקיות הטכנולוגיה – גוגל, מיקרוסופט, אפל, אמזון ומטא – העניקו לשווקים שבוע ירוק נוסף, כאשר כולן היכו את תחזיות האנליסטים וסיפקו תחזיות מעודדות לרבעון הבא. הנתון החשוב יותר מבחינת השוק היה התרומה הגוברת של פעילות הענן והבינה המלאכותית לצמיחה בהכנסות וברווחים.

המשמעות רחבה יותר מתוצאות רבעוניות טובות. בחודשים האחרונים התנהל בוול סטריט דיון חריף בשאלה האם השקעות העתק של ענקיות הטכנולוגיה ב-AI, בעיקר בהוצאות הון על מרכזי נתונים, שרתים ושבבים, יצליחו להחזיר את עצמן. בעבר, המשקיעים הגיבו לעיתים בחשש לעלייה חדה ב-CAPEX, מתוך חשש שהחברות “שורפות” מזומנים מהר יותר מכפי שהן מייצרות צמיחה. הפעם, לפי הסקירה, התגובה הייתה שונה: המשקיעים קיבלו באופן חיובי את המשך ההשקעות, בעיקר משום שהן כבר משתקפות בצמיחה ממשית בפעילות הענן ובשירותי AI.

בולטת במיוחד גוגל, שלפי הסקירה הציגה זינוק של 63% בפעילות הענן לצד גידול בצבר ההזמנות. גם מיקרוסופט הציגה צמיחה של 39% בפעילות Azure וצמיחה של 123% בהכנסות מפעילות הקשורה ל-AI. הנתונים האלה מסמנים כי הבינה המלאכותית אינה נתפסת עוד רק כהבטחה עתידית או כמרכז עלות, אלא כגורם שמתחיל להשפיע בפועל על שורת ההכנסות של החברות הגדולות.

התגובה בשוק הייתה חדה. מדדי נאסד"ק רשמו באפריל זינוק חודשי של 15.3%–15.6%, אך את ההובלה תפס סקטור השבבים. לפי הסקירה, סקטור זה זינק באפריל ב-38.4%, ובתוך כך השלים מדד SOX רצף של 18 ימי עליות רצופים – הרצף החיובי הארוך ביותר שנרשם בו. העליות בשבבים משקפות את התפקיד המרכזי של המעבדים, המאיצים, הזיכרונות ורכיבי התקשורת בתשתית הפיזית של מהפכת ה-AI.

גם בסיכום השבועי ניכרה העדפה ברורה למניות טכנולוגיה גדולות. מדד S&P 500 עלה ב-0.9% וננעל בשיא חדש, נאסד"ק הכללי עלה ב-1.1%, ואילו נאסד"ק 100 עלה ב-1.5%. לפי הסקירה, הפער בין נאסד"ק הכללי לנאסד"ק 100 נובע בין היתר מכך שמשקלן של מניות השבבים גבוה יותר במדד החברות הגדולות. במילים אחרות, כאשר מניות השבבים מובילות את השוק, נאסד"ק 100 נהנה מכך יותר.

ההתעניינות בסקטור צפויה להימשך גם בשבוע הקרוב, כאשר עונת הדוחות עדיין לא הסתיימה. בין החברות שצפויות לפרסם תוצאות נמצאות AMD ו-Arm, שתי חברות בעלות חשיבות ישירה לשרשרת הערך של AI ושבבים. המשקיעים ינסו לבדוק האם מגמת הביקושים לתשתיות AI נמשכת גם מעבר לענקיות הענן, והאם היא מחלחלת גם לספקי השבבים, התכנון והשרתים.

גם בשוק המקומי נרשמה השפעה מסוימת של הראלי הטכנולוגי בחו"ל. בבורסה בתל אביב נרשמה מגמה חיובית ברוב המדדים, וביום שישי בלטו לטובה מדדי הטכנולוגיה והביטחוניות שעלו ב-2.5% ו-2.2% בהתאמה. מדד ת"א קלינטק עלה בסיכום השבועי ב-5.1%, בין היתר על רקע המומנטום החיובי במניות הטכנולוגיה בעולם.

התמונה הכוללת שעולה מן הסקירה היא של שוק שחוזר להאמין בסיפור הטכנולוגי, אך הפעם בצורה מפוכחת יותר. ה-AI עדיין דורשת השקעות ענק, אך הדוחות האחרונים מספקים למשקיעים אינדיקציה לכך שההשקעות האלה מתחילות להניב צמיחה. מבחינת תעשיית השבבים, זהו איתות חשוב: הביקוש למחשוב AI אינו אירוע נקודתי, אלא מנוע שממשיך להזרים הון, הזמנות וציפיות לתוך כל שרשרת הערך של התעשייה.

הפוסט הבינלאומי: דוחות ענקיות הטכנולוגיה החזירו את סקטור השבבים למרכז הראלי בוול סטריט הופיע לראשונה ב-Chiportal.

תעשיית השבבים מחפשת כבר שנים את הדור הבא של החומרים שיאפשרו להמשיך במזעור הטרנזיסטורים. אחת התקוות הגדולות הייתה חומרי דו־ממד, שכבות דקות במיוחד בעובי של אטום אחד או כמה אטומים, כגון גרפן ומוליבדן דיסולפיד. אך מחקר חדש של פרופ’ מהדי פורפת ופרופ’ טיבור גראסר מ־TU Wien מצביע על בעיה בסיסית: לא די לבחון את החומר הפעיל עצמו. צריך לבדוק גם כיצד הוא נוגע, או ליתר דיוק אינו נוגע, בשכבת הבידוד שמעליו. (TU Wien)

בטרנזיסטור רגיל, שער חשמלי שולט במעבר של המוליך למחצה בין מצב מוליך למצב שאינו מוליך. כדי שהשליטה תהיה יעילה, השער מופרד מן החומר הפעיל בשכבת בידוד דקה מאוד. כאשר החומר הפעיל הוא חומר דו־ממד, ושכבת הבידוד היא בדרך כלל תחמוצת, נוצר ביניהם פער זעיר הנובע מקשרי ואן דר ואלס חלשים. לפי החוקרים, הפער הזה הוא בסך הכול כ־0.14 ננו־מטר, אך הוא מספיק כדי להחליש את הצימוד הקיבולי בין השכבות ולהגביל את היכולת להקטין את הרכיב.

המשמעות לתעשייה רחבה. במשך שנים נבחנו חומרי דו־ממד על פי תכונותיהם הפנימיות: ניידות אלקטרונים, מבנה פסי אנרגיה, יציבות ואפשרות שילוב בתהליכי ייצור. המחקר החדש מזכיר כי שבב אינו עשוי מחומר יחיד, אלא ממבנה שלם. גם חומר שנראה מצוין על הנייר עלול להיכשל כאשר מחברים אותו לשכבת בידוד אמיתית. לפי גרסת הקדם של המאמר, הפער יכול להוסיף כ־2.7 אנגסטרם לעובי התחמוצת השקול, כלומר לפגוע בדיוק בפרמטר שאותו התעשייה מנסה להקטין בדורות ייצור עתידיים. (arXiv)

המאמר, שפורסם ב־Science ב־16 באפריל 2026 תחת הכותרת “Device-scaling constraints imposed by the van der Waals gap formed in two-dimensional materials”, טוען כי הפער אינו רק מטרד הנדסי אלא מגבלה פיזיקלית שצריך להכניס למפת הדרכים של תכנון רכיבים. במילים אחרות, בחירה בחומר דו־ממד על סמך ביצועיו לבדו עלולה להוביל להשקעות גדולות בטכנולוגיה שלא תוכל לעמוד בדרישות המזעור. (PubMed)

החוקרים אינם מציגים את הממצא כסוף הדרך לחומרי דו־ממד, אלא כקריאה לתכנון מדויק יותר. אחד הכיוונים שהם מציעים הוא שימוש ב"חומרי רוכסן" – מבנים שבהם המוליך למחצה והמבודד משתלבים זה בזה בקשר חזק יותר, במקום להישען רק על כוחות ואן דר ואלס חלשים. במבנים כאלה ניתן לצמצם או לבטל את הפער, ובכך לשפר את השליטה החשמלית בטרנזיסטור.

עבור תעשיית השבבים, המסקנה המרכזית היא שחומרי הדור הבא צריכים להיבחן כמערכת שלמה: מוליך למחצה, שכבת בידוד, ממשק, חום, זרמים וזליגות. זהו מסר חשוב במיוחד בעידן שבו צמתים מתקדמים, אריזות תלת־ממד וצ’יפלטים הופכים את תכנון השבב למורכב יותר. חומרי דו־ממד עדיין עשויים למלא תפקיד חשוב באלקטרוניקה עתידית, אך המחקר החדש מציב תנאי ברור: מי שרוצה להשתמש בהם בטרנזיסטורים זעירים באמת יצטרך לתכנן את הממשק האטומי לא פחות מאשר את החומר עצמו.

הפוסט פער אטומי זעיר עלול לשנות את מפת חומרי הדו־ממד לשבבים עתידיים הופיע לראשונה ב-Chiportal.

ערים טרופיות רבות תולות תקוות גדולות באנרגיה סולארית, אך דווקא תנאי מזג האוויר האופייניים להן עלולים להקשות על המעבר הזה. סופות רעמים אחר הצהריים, הנפוצות באזורים טרופיים, עלולות להפחית בבת אחת את ייצור החשמל הסולארי בשכונות שלמות. כאשר דבר כזה קורה, הרשת נאלצת להזרים חשמל מאזורים סמוכים שבהם עדיין יש ייצור, ולעיתים גם מרחק קצר יחסית מספיק כדי להעמיס מאוד על קווי החשמל המקומיים. מחקר חדש של חוקרים מבית הספר להנדסה של אוניברסיטת קולומביה מציע פתרון שונה: להשתמש בסוללות של מכוניות חשמליות חונות כמאגרי אנרגיה זמניים, שיזינו את הרשת המקומית בדיוק ברגעים שבהם העננים מכסים את השמש.

המחקר, שפורסם ב־7 באפריל 2026 בכתב העת Nature Communications , מתמקד במיוחד בערים טרופיות, שאמורות בעתיד הקרוב לאכלס כמחצית מאוכלוסיית העולם. לדברי החוקר הראשי, מרקוס שלפפר, האתגר ההנדסי ברור: ערים רוצות להגדיל את חלקה של האנרגיה הפוטו־וולטאית, אך אינן יכולות להרשות לעצמן תמיד השקעות ענק ברשת החשמל. בסינגפור, למשל, הנחת קווי תמסורת תת־קרקעיים עולה כ־60 מיליון דולר סינגפורי (47 מיליון דולר אמריקני) לקילומטר — מחיר שממחיש עד כמה הרחבת התשתית העירונית היא משימה יקרה ומורכבת.

כאן נכנס לתמונה הרכב החשמלי. הרעיון פשוט יחסית: מכיוון שלמכוניות חשמליות יש סוללות גדולות והן כבר מחוברות לרשת באמצעות עמדות טעינה, אפשר להשתמש באנרגיה האצורה בהן כגיבוי מקומי קצר־טווח. כאשר סופת רעמים מפחיתה את ייצור החשמל הסולארי בשכונה מסוימת, המכוניות החונות בקרבת מקום יכולות לפרוק לרשת את החשמל האגור בהן, ובכך לצמצם את המחסור המיידי. לאחר שהסופה חולפת, הפאנלים הסולאריים יכולים לשוב ולטעון את המכוניות. מבחינת החוקרים, זהו שימוש חכם יותר ברשת הקיימת, בלי להזדקק מיד לכבלים חדשים ולפרויקטים תשתיתיים יקרים.

קנה מידה גדול

אבל החידוש המרכזי במחקר אינו רק עצם השימוש במכוניות חשמליות, אלא גם קנה המידה שבו צריך לנהל אותן. לפי החוקרים, אסטרטגיה כוללת ברמת העיר כולה עלולה דווקא להחמיר את הבעיה. כאשר מנהלים את הביקוש וההיצע רק במבט כולל, נוטים להחליק את עקומת הביקוש המצרפית, אך במקביל עלולים להצטבר חוסרים מקומיים בשכונות מסוימות. כתוצאה מכך, כמויות גדולות של חשמל נדחפות למרחקים גדולים יותר דרך הרשת, והעומס על חלק מקווי התמסורת עשוי אף להכפיל את עצמו בזמן סופות רעמים.

הפתרון היעיל יותר, לפי המאמר, הוא ניהול שכונתי. החוקרים בחנו את סינגפור לפי 55 אזורי התכנון העירוניים שלה, והראו שניהול טעינה ופריקה של רכבים חשמליים ברמה זו מפחית את העומס המקסימלי על קווי החשמל בכ־18% בימי סערה, ובו בזמן גם מסייע להחליק את עקומת הביקוש הכללית לאורך היום. במילים אחרות, במקום לחשוב רק על הרשת כולה, כדאי לחשוב על כל שכונה כעל יחידת איזון מקומית משלה.

המחקר מצביע גם על גורם חשוב נוסף: מיקום החניה של המכוניות. שכונות מגורים נוטות להתרוקן מכלי רכב בשעות היום, בדיוק כאשר הייצור הסולארי מגיע לשיאו, ואילו אזורי עסקים מציגים את המצב ההפוך. כדי למפות את הדפוסים האלה השתמשו החוקרים בנתוני טלפונים ניידים מצטברים ואנונימיים, שאפשרו להם לבנות מודל מדויק יותר של פיזור הרכבים בעיר.

סיגנפור כדוגמה

אחת המסקנות המעניינות ביותר היא שהשיטה יכולה לעבוד גם בערים שבהן שיעור הבעלות על רכב נמוך יחסית. בסינגפור, למשל, יש בערך רכב אחד לכל שמונה תושבים, ובכל זאת המודל הראה שגם כמות מוגבלת יחסית של סוללות על גלגלים יכולה לספק תרומה ממשית לייצוב הרשת. לכן החוקרים טוענים כי הפתרון אינו רלוונטי רק לערים עתירות רכב, אלא גם לסביבות עירוניות צפופות שבהן מספר המכוניות מצומצם יחסית.

המשמעות הרחבה של המחקר היא שמעבר לאנרגיה סולארית בערים טרופיות אינו חייב להיות כרוך בהכרח בגל עצום של השקעות בתשתיות חדשות. אם ניתן יהיה לשלב טוב יותר בין עמדות טעינה, ניהול רשת חכם וכלי רכב חשמליים, ייתכן שחלק מבעיות האמינות של החשמל הסולארי ייפתרו ברמה המקומית, באמצעות משאבים שכבר קיימים בשטח. בכך מציע המחקר לראות במכונית החשמלית לא רק  אמצעי תחבורה נקי יותר, אלא גם רכיב פעיל במערכת האנרגיה העירונית של העתיד.

למאמר המדעי

הפוסט מחקר: מכוניות חשמליות יכולות לסייע לערים טרופיות כסינגפור להרחיב ייצור חשמל סולארי בלי לשדרג את התשתית הופיע לראשונה ב-Chiportal.

מחקר חדש של האוניברסיטה העברית בירושלים מציג התקדמות טכנולוגית מרשימה בתחום הפוטוניקה: התקן אופטי מיקרוסקופי, מודפס בתלת־ממד, שמאפשר לרכז אור מעשרות לייזרים זעירים אל תוך סיב אופטי יחיד בלי לשלם מחיר כבד באובדן אור ובאיכות האלומה. המאמר, שהתפרסם ב־Nature Communications, נכתב בהובלת תלמיד המחקר יואב דנה ממכון הפיזיקה היישומית, בהנחיית פרופ' דן מרום, ובשיתוף חוקרים מ־Civan Lasers בירושלים.

ההתקן נקרא Photonic Lantern, או "פנס פוטוני", והוא אינו חדש כרעיון. בדרך כלל מדובר במרכיב אופטי שממיר כמה כניסות חד־אופניות לגל־מנחה רב־אופני יחיד. הבעיה היא שמקורות לייזר חזקים ונפוצים בתעשייה, במיוחד מערכי VCSEL, אינם פולטים אור חד־אופני אלא רב־אופני. לכן פנסים פוטוניים קלאסיים לא התאימו להם היטב. כאן נכנס החידוש של הקבוצה הירושלמית: במקום להתאים את העולם למרכיב הקיים, היא תכננה ארכיטקטורה חדשה של פנס פוטוני רב־אופני, שמסוגלת לקבל הרבה מקורות רב־אופניים ולרכז אותם ישירות לסיב רב־אופני בעל קיבול אופני מתאים.

בפועל, החוקרים הדגימו שלושה דורות של ההתקן: גרסאות שמרכזות 7, 19 ו־37 לייזרי VCSEL רב־אופניים, כאשר כל לייזר תורם שישה אופנים מרחביים. המשמעות היא שהמערכת הגדולה ביותר כבר מגיעה ל־222 אופנים מרחביים בתוך סיב יחיד. זהו מספר חריג מאוד עבור מבנה כה קטן, והוא ממחיש עד כמה הגישה הזאת עשויה להיות שימושית בכל מקום שבו צריך להעביר עוצמה אופטית גבוהה דרך סיב בלי להסתבך במערכים מגושמים של עדשות, מראות ויישור עדין.

קטן מאוד, יעיל מאוד

אחד ההישגים הבולטים במחקר הוא הממדים. לפי החוקרים, כל ההתקן קצר מפחות מחצי מילימטר, כלומר קטן בסדרי גודל לעומת מערכות מיתוג או צימוד אופטיות מתחרות. למרות זאת, ההפסדים נשארו נמוכים מאוד: בגרסת 19 הכניסות נמדד אובדן צימוד של כ־0.6 דציבל, ובגרסת 37 הכניסות כ־0.8 דציבל בלבד. במונחים של מערכות לייזר, זהו נתון חשוב מאוד, משום שאובדן קטן יותר פירושו יותר הספק מועבר, פחות חימום, ופחות צורך בהשלמה באמצעות מערכות נוספות.

יתרון נוסף הוא שמירת ה־brightness, כלומר הבהיקות או איכות האלומה ביחס להספק. במערכות מסורתיות, במיוחד כאלה המבוססות על מערכי עדשות או על ריכוז גס של אלומות, ריבוי המקורות עלול לפגוע באיכות הקרן. כאן החוקרים ניסו להתאים מראש בין מספר דרגות החופש של מקורות הלייזר לבין הקיבול האופני של הסיב, וכך לשמר את איכות האור במקום רק "לדחוף" כמה שיותר פוטונים פנימה. זהו הבדל קריטי אם המטרה אינה רק להעביר אור, אלא להעביר אור שימושי עבור מערכות לייזר, עיבוד חומרים, תקשורת או חישה. (PubMed)

המבנה עצמו הודפס ישירות בקנה מידה מיקרוני על גבי שבב ה־VCSEL, ולאחר מכן חובר לסיב הרב־אופני. זהו עוד מרכיב חשוב בפריצת הדרך: לא רק תכנון אופטי חדש, אלא גם שיטת ייצור שמאפשרת אינטגרציה ישירה וצפופה מאוד בין רכיב אלקטרו־אופטי לבין הגל־מנחה. בגישה כזאת אפשר לדמיין בעתיד רכיבים מוכנים מראש, קומפקטיים וזולים יותר להרכבה, שיצאו מן המפעל כבר עם ממשק אופטי משולב במקום להסתמך על יישור מכני רגיש ומסובך. (en-science.huji.ac.il)

למה זה חשוב לתעשייה

למערכי VCSEL יש יתרונות גדולים: הם קטנים, יעילים, מתאימים לייצור המוני, ונפוצים כבר היום בתקשורת, בחישה ובמערכות תאורה ולייזר. הבעיה היא שכאשר רוצים לעלות בהספק, עוברים מהר מאוד ממקור יחיד למערכים גדולים, ואז הצימוד לסיב נעשה מסורבל. לכן הפתרון שהוצג כאן עשוי להיות חשוב במיוחד עבור מערכות לייזר עתירות־הספק, שבהן צריך לאגד הרבה מקורות לא קוהרנטיים אל תוך סיב אחד, מבלי לבנות מערכת אופטית גדולה ויקרה סביבם. האוניברסיטה העברית ציינה במפורש שהטכנולוגיה עשויה לשפר מערכות לייזר חזקות, תקשורת אופטית ויישומים נוספים שבהם מסירה יעילה של הספק אופטי גבוה דרך סיב היא תנאי קריטי.

המחקר גם מתחבר היטב לעולם התעשייתי הישראלי. הוא בוצע בשיתוף Civan Lasers, חברה ירושלמית המפתחת לייזרים תעשייתיים, ונתמך בידי רשות החדשנות. החיבור הזה בין פיזיקה יישומית, ייצור מתקדם ושותף תעשייתי אינו מקרי: אם הטכנולוגיה אכן תעבור מן המעבדה למוצר, היישום הטבעי הראשון שלה צפוי להיות בדיוק במערכות שבהן משלבים הרבה לייזרים קומפקטיים כדי לקבל הספק גבוה, יציב ויעיל יותר.

בשורה התחתונה, לא מדובר רק בעוד רכיב אופטי קטן ומרשים, אלא בשינוי תפיסתי: אפשר לקחת עשרות מקורות לייזר רב־אופניים, שהיו עד היום קשים לריכוז יעיל, ולחבר אותם במבנה מודפס, זעיר ואינטגרטיבי, ישירות אל סיב יחיד. אם הכיוון הזה יבשיל לטכנולוגיה תעשייתית, הוא עשוי להפחית מורכבות, להקטין מערכות ולהגדיל הספק במגוון רחב של יישומים פוטוניים.

פרטי המאמר:
Yoav Dana et al., Massive-scale spatial multiplexing of multimode VCSELs with a 3D-printed photonic lantern, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-70458-4. (Nature)

הפוסט פנס פוטוני מודפס בתלת־ממד מאגד עשרות לייזרים לשיער אחד של אור הופיע לראשונה ב-Chiportal.

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.

הפוסט IBM וחוקרים מאירופה יצרו מולקולה חדשה, והמחשוב הקוונטי סייע לפענח את המבנה האלקטרוני שלה הופיע לראשונה ב-Chiportal.