פריצת דרך בפיתוח מחשבים קוונטיים: שזירת שני אטומים ביחד

כתב העת נייצ'ר דיווח בסוף השבוע (ה') כי מדענים פיתחו סוג חדש של טכנולוגית לכידת יונים שהיא הבסיס לקיוביט – יחידת האיחסון במחשב קוונטי, העושה שימוש בקרינת גלי מיקרו לצורך ביצוע חישובים במקום בלייזרים. טכנולוגיה זו עשויה לפשט את פיתוחם של מחשבים קוונטיים בקנה מידה גדול

התופעות המוזרות של הפיזיקה הקוונטית כדוגמת האפשרות של חלקיק להיות בשתי מקומות שונים בו זמנית, הקסימו פיזיקאים מנוסים כמו גם סטודנטים. תופעות אלה אינן רק בגדר מוזרויות תיאורטיות. שדה חדש, מעשי, של הפיזיקה הקוונטית הפך להיות לתחום פעיל במהלך העשור האחרון.

בתחום זה מנסים החוקרים לנצל את העוצמה של התופעות הקוונטיות לייצור טכנולוגיה חדשנית – מיחשוב קוונטי שתגרום למהפכה בענף המיחשוב.

המדענים מנסים כמה כיוונים לפיתוח מערכות אלה, תוך שימוש במערכות פיזיקליות שונות. מחשבים קוונטיים העושים שימוש ביונים לכודים (trapped ions) הם המצליחים ביותר עד כה. בשני מחקרים שפורסמו ביום חמישי האחרון, 11 באוגוסט 2011 בכתב העת נייצ' מתארים החוקרים גישה חדשה ללכידת יונים שתגביר את הפוטנציאל של מערכות אלה לייצור מחשבים קוונטיים בקנה מידה גדול ולא בקנה מידה מעבדתי-נסיוני כפי שהדבר נעשה כיום.

אוספלקוס ועמיתיו מדווחים כי הצליחו לממש שערים קוונטיים המשתמשים בקרינת מיקרו במקום בקרני לייזר, שעד כה שימשו לייצור שערים אלה. שערים קוונטיים הם המקבילים של השערים הלוגיים הקלאסיים שבהם אנו משתמשים לביצוע חישובים במעבדים קוונטיים.

ואילו קבוצתו של טימוני פיתחה גישה חדשה למיחשוב קוונטי שגם בה נעשה שימוש בגלי מיקרו – ואשר איננה רגישה לרעשים (הידועים גם כחוסר עקביות- Decoherence) והיא פועלת באמצעות מערכות פיזיקליות המשמשות לביצוע החישוב.

חוסר עקביות עלול לגרום להריסת ההשפעות הקוונטיות להפרעה לתפעול של המעבד הקוונטי. טימוני ועמיתיו הצליחו לסוכך ביעילות על המעבד הקוונטי מפני התופעה הזו.

פעולת שערים קוונטיים הפועלים במעבדים קוונטיים מבוססת על שזירת היונים. שזירה הוא אחת התופעות הלא אינטואיטיביות בפיזיקת הקוונטים שבה תכונות מערכות מרובות, כמו למשל קבוצה של יונים, פועלת בתיאום.

לרוב, התוצאה של מדידת תכונות מסוימות של יון בודד מניבה תוצאות אקראיות לחלוטין, אך מדידת אותה תכונה על יון הנמצא בשזירה של יונים יוצרת תוצאות מתואמות. דרך פשוטה להסביר את המצב הזה היא לדמיין שני אנשים שכל אחד מטיל מטבע. תוצאת ההטלה של כל אחד מהם היא אקראית. ואולם אם המטבעות שזורות בדרך מסוימת, התוצאה של הטלת המטבעות תהיה תמיד זהה לשתי המטבעות כלומר שני הזורקים מקבלים או עץ או פלי.

בשנים האחרונות הצליחו החוקרים להתקדם בפיתוח מחשבים קוונטיים תוך שימוש בתסבוכת של עד 14 יונים, וכן הצליחו לממש באמצעות השזירה אלגוריתמים קוונטיים וכן טלפורטציה (קפיצה ממקום למקום של יון באפס זמן). עד כה השתמשו החוקרים ליצירת השזירות הללו בקרני לייזר. עוד בשנת 2001 העלו החוקרים מינטרט וונדרליך רעיון תיאורטי לשימוש בקרינה בעלת אורך גל ארוך כגון גלי מיקרו או גלי רדיו.

בעוד הלייזר צריך להיות מיושר בזהירות עם היונים הלכודים העומדים בפני סיבוך, גלי המיקרו יכולים לפעול באמצעות מנחי גלים (waveguides – מבנים שיכולים להנחות קרינה) המהווים חלק משבב שעליו יכולים היונים להתחבר, כך שהדבר אינו דורש יישור מראש שלהם.

יתרה מכך, קל וזול לייצר קרינת מיקרו גל מאשר להשתמש במערכות לייזר מסובכות. כמו כן קיימים היום מקורות יציבים ליצירת גלי מיקרו.

מיחשוב קוונטי בקנה מידה גדול ידרוש מיליוני יונים לכודים שכל אחד מהם מכיל ביט קוונטי אחד (קיוביט – יחידת האיחסון הבסיסית של המיחשוב הקוונטי). כתוצאה מכך, יצירתו תדרוש כמה קרני לייזר כדי לשזור את היונים, דבר שיהיה מורכב מבחינה הנדסית ובעל עלות גבוהה. בניגוד לכך, השימוש בקרינת מיקרו לאותה מטרה יהיה קל בהרבה ויהפוך את השימוש במלכודות היונים לצורך בניית מעבדים לפשוט בהרבה.

השלב הראשון לפיתוח חוט קוונטי

דנ"א, המולקולה המפורסמת ביכולתה לאחסן את התוכניות הגנטיות של כל היצורים החיים, מסוגלת לבצע דברים נוספים. במאמר חדש, מתארים חוקרים מהמכון הלאומי לתקנים ולטכנולוגיה בארה"ב כיצד סלילים יחידים של דנ"א ניתנים לניצול על מנת לטהר את צורת "הכורסה" הכה נחשקת של ננו-צינורות פחמן. ננו-צינורות פחמן חד-דופנות בצורת כורסה חשובים לשם הכנת "חוטים קוונטיים" להולכת חשמל.  

ננו-צינורות פחמן חד-דופנות הם בד"כ בקוטר של כננומטר, אולם הם עשויים להיות באורך של מיליוני ננומטרים. זה כמו שתיקח יריעה חד אטומית של אטומי פחמן, המסודרים בתבניות של משושים, ותקפל אותה לכדי גליל. אולם, הסלסול הזה של הרשת ניתן לביצוע באפשרויות רבות, בהתאם למידת ההתאמה בין הקצוות, החל מגליל מושלם ועד צורות ספיראליות מסולסלות, בעלות אופי כיראלי.

כיראליות מהווה תפקיד חשוב בתכונותיהם של ננו-צינורות. רובם מתנהגים כמוליכים-למחצה, אולם חלקם הם מתכות. צורה כיראלית אחת מיוחדת – זו המכונה "ננו-צינור פחמן בצורת כורסה" – מתנהגת כמתכת טהורה והיא יכולה להוות חוט קוונטי מושלם, זאת לפי חוקרי המכון.

ננו-צינורות פחמן בתצורת כורסה יוכלו להביא למהפכה במערכות המופעלות בחשמל, קטנות וגדולות כאחת. חוטים המורכבים מננו-צינורות אלו צפויים להוליך חשמל פי עשרה טוב יותר מאשר נחושת, בשישית המשקל ותוך הפסדי אנרגיה נמוכים במיוחד. אולם החוקרים בתחום זה ניצבים בפני שתי מהמורות: ייצור דגימות התחלתיות טהורות לחלוטין של ננו-צינורות בתצורת כורסה ושכפולם לשם ייצור מסחרי. האתגר הראשון, לדבריהם של החוקרים, היה עד כה "יעד חמקמק".

ההפרדה של ננו-צינורות בעלי כיראליות מוגדרת מתחילה בציפוי שלהם על-מנת לגרום להם להתפזר בתמיסה, כך שיצטברו יחדיו למסה גדולה. מגוון חומרים משמשים לייזום תהליך זה, בכללם פולימרים, חלבונים ודנ"א. התחבולה של המדענים ממכון המחקר הייתה להשתמש בסליל דנ"א בעל זיקה מוגדרת לסוג ננו-הצינורות. במחקר קודם, המדענים הדגימו כיצד סלילי דנ"א מסוגלים "לבחור" צורה אחת משלל הצורות המוליכות-למחצה של ננו-צינורות פחמן. במאמרם החדש, החוקרים מתארים כיצד השיטה שלהם מאפשרת לפתח דנ"א "המעדיף" ננו-צינורות מתכתיים בתצורת כורסה על פני צורות אחרות.

"אנו סבורים כי מה שמתרחש הוא כדלהלן: עם הננו-צינור המתאים, הדנ"א נכרך סביבו בצורה פיתולית," מסביר אחד מהחוקרים, "ואז בסיסי הנוקליאוטידים של הדנ"א מסוגלים לחבור אחד עם השני באותה הדרך שהם עושים זאת בדנ"א דו-סלילי." לפי החוקרים, "הדנ"א יוצר את הגליל המהודק הזה מסביב לננו-הצינור. אני מוקסם מהמנגנון הזה מאחר והוא סוג של מפתח, ומנעול המתאים לו. ננו-הצינור בצורת הכורסה הוא המפתח המתאים לתוך מבנה הדנ"א – כך שיש לנו סוג של הכרה מולקולארית."

מרגע שננו-הצינורות המתאימים נכרכים בדנ"א, ניתן להשתמש בשיטות כימיות רגילות, כגון כרומטוגרפיה, על מנת להפריד אותם מתוך התערובת ביעילות גבוהה.

"עכשיו משיש לנו את דגימות ננו-הצינורות הטהורים הללו," מסביר אחד מהחוקרים, "אנו מסוגלים לחקור את חוקי הפיסיקה שבבסיס חומרים אלו ולהשיג תובנות נוספות בנוגע לתכונותיהם הייחודיות.

הידיעה על המחקר
.