הטרנזיסטור הפוטוני הראשון בעולם

הפיתוח הוא צעד חשוב נוסף בדרך הארוכה לפיתוח מחשב קוונטי

היחידה הבסיסית של המחשבים האלקטרוניים בני זמננו, הטרנזיסטור, יכולה להימצא באחד משני מצבים אפשריים (למשל, אפס או אחד). לפיכך, בדיקת הפתרונות באמצעותו נעשית באופן סדרתי. לעומת זאת, טרנזיסטור קוונטי עשוי להימצא במספר מצבים בו זמנית. תכונה זו עומדת בבסיס המאמץ לבניית מחשבים קוונטיים, אשר, כך מקווים, יוכלו לבדוק מספר עצום של פתרונות באופן מקבילי, וכך להיות יעילים ומהירים לאין שיעור מהמחשבים של ימינו.

יכולת הפעולה המקבילה של טרנזיסטור קוונטי נובעת מתכונה בסיסית של תורת הקוונטים, שלפיה חלקיקים הנתונים במערכת סגורה יכולים להימצא בעת ובעונה אחת בכמה מצבים. תופעה זו, הקרויה סופרפוזיציה, מתקיימת רק אם איש אינו צופה או מודד את החלקיקים. כלומר, כאשר צופים במערכת קוונטית או מודדים אותה, הקיום המקבילי שלה קורס אל אחת מאפשרויות הקיום "בלבד". לכן, כדי לשמור על יכולת הפעולה המקבילית של טרנזיסטור, אסור "להציץ" אל תוך המערכת. מבחינה מעשית, משמעות הדבר היא שהמערכת חייבת להיות מבודדת היטב, כדי למנוע כל דליפה של מידע מהמערכת החוצה, וכי יש למנוע כל אינטראקציה בין רכיבי המערכת לבין עצמם, ובינם לבין הסביבה החיצונית.

למעשה, שימור מוחלט של הסופרפוזיציה אפשרי כיום רק במערכות פשוטות ביותר, המורכבות, למשל, מאטומים בודדים, אשר מתקשרים זה עם זה באמצעות פוטונים (חלקיקי אור) בודדים. הפוטונים הם מועמדים טובים במיוחד לשמש כבסיס לתקשורת בתוך מערכות קוונטית כאלה, משום שמטבעם הם אינם יוצרים אינטראקציות בקלות.

כעת עשו ד"ר ברק דיין וחברי קבוצתו – איתי שומרוני, סרג' רוזנבלום, יוליה לובסקי, אוראל בכלר וגבריאל גנדלמן –  מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, צעד משמעותי בכיוון זה. הם הצליחו, לראשונה בעולם, לבנות טרנזיסטור פוטוני – התקן קוונטי המבוסס על אטום בודד שמבצע פעולת מיתוג לפוטונים בודדים (בדומה לטרנזיסטור אלקטרוני שממתג זרמים חשמליים).

בלב המערכת שפיתחו המדענים מצוי אטום היכול להימצא באחד משני מצבים, ובהתאם לכך מעביר פוטונים ימינה או שמאלה – לפי הוראה שקיבל מהפוטון הקודם: במצב אחד פוטונים המגיעים מימין מוזרמים על-ידו שמאלה. הגעת פוטון משמאל גורמת להחזרתו באותו כיוון, ולהיפוך מצבו של האטום. במצב ההפוך מוזרמים פוטונים המגיעים משמאל ימינה, ופוטון המגיע מימין מוחזר, והופך בחזרה את מצבו של האטום. באופן זה נוצר מפסק מתחלף, אשר מופעל אך ורק באמצעות פוטונים בודדים – ללא צורך בהפעלת שדות חיצוניים אחרים על המערכת. הודות לכך אפשר עקרונית לצרף את היחידות הבסיסיות זו לזו למערכת מורכבת. היחידות יעבירו ביניהן את זרם הפוטונים, וכל אחת מהן תפעיל את הבאה בתור ותקבע את כיווניותה.

הישג זה, שהתפרסם השבוע בכתב-העת המדעי Science, התאפשר בזכות שילוב של שתי טכנולוגיות חדשניות. טכנולוגיה אחת מאפשרת ללכוד ולקבע אטומים בתוך תא ריק באמצעות קרני לייזר ושדות מגנטיים למשך פרק זמן ארוך דיו כדי לקיים מפגש עם זרם הפוטונים. טכנולוגיה נוספת אחראית להביא למפגש את הפוטונים. לכידתם מתבצעת במהודים (רזונטורים) זעירים על שבב, בהם מסתובבים הפוטונים פרק זמן ממושך. מהודים מסוג זה, המיוצרים בשיטות פוטו-ליטוגרפיות הדומות לטכנולוגיה שבה מיוצרים שבבים, נחשבים המהודים הטובים בעולם כיום, ומאפשרים את האינטראקציה המבוקרת היטב בין הפוטונים לאטום. ד"ר דיין היה שותף למאמץ לשלב בין שתי טכנולוגיות אלה לפני מספר שנים, בזמן מחקרו הבתר-דוקטוריאלי במכון הטכנולוגי של קליפורניה, וכיום מעבדתו במכון ויצמן למדע היא אחת מקומץ מעבדות ברחבי העולם המיישמות אותן.

ד"ר דיין: "הדרך לבנייתו של מחשב קוונטי עדיין ארוכה; אך המערכת שיצרנו מדגימה עקרונות בסיסיים שעשויים  להיות ישימים בארכיטקטורות עתידית של מחשב כזה. העקרונות שהדגמנו בהתקן הזה,  שבו אטום בודד מתפקד כטרנזיסטור – או מתג מתחלף – לפוטונים, יכולים להוות בסיס לבניית רשתות קוונטיות עתידיות שבהן יהיו הרבה התקנים פאסיביים המתקשרים זה עם זה רק באמצעות פוטונים, כולל רשתות שיהיו מבוססות על מרכיבי בסיס שאינם בהכרח אטומים. במחקרים הבאים אנו מקווים להדגים עוד התקנים כאלו, שיופעלו אך ורק על ידי פוטונים, כמו למשל זיכרון קוונטי או שער לוגי".