מה זה בכלל מחשב קוונטי ואיך הוא ישנה את העולם?

בשנים האחרונות רעיון המחשב הקוונטי צובר פופולריות רבה וזוכה לסיקור נרחב. רבים מקווים שיעניק לנו קפיצת מדרגה ביכולות חישוב מורכבות שגם מחשבי-על מתקשים לבצע. אולם למרות המחקר הרב שנעשה בתחום בעשורים האחרונים, עדיין קשה מאוד לחזות באמצעות איזו טכנולוגיה יפותח המחשב הקוונטי, ולכל ההצעות שעולות כיום יש יתרונות וחסרונות. אחת מהן מתבססת על כלי ותיק שהוכיח את עצמו היטב בעבר - שבב הסיליקון.

כדי להבין את השיקולים לבחירת הטכנולוגיה לפיתוח המחשב הקוונטי, עלינו להבין תחילה מהן התכונות הנדרשות מאבני הבניין של המחשב הזה - הקיוביטים (קיצור של "ביט קוונטי"). מחשב רגיל אוגר את המידע שלו ביחידות מידע בסיסיות שנקראת ביטים ושומרות את הנתונים באחת משתי צורות אפשריות, "0" או "1". בעזרת כמה ביטים אפשר לייצג מספרים גדולים, וחישוב פירושו ביצוע פעולות שכותבות ערכים לתוך ביטים שונים וקוראות אותם מתוכם.

אותו דבר נכון גם לקיוביטים, עם הבדל חשוב אחד: מיחידות המידע הקוונטיות נדרשת היכולת להיות במצבים שהם שילוב של אחד ואפס, מצב שנקרא סופרפוזיציה. במצב הזה הקיוביט אינו 1 או 0, אלא שניהם יחד, ואנחנו יכולים לשלוט ב"עד כמה" הוא כל אחד מהשניים. התכונה הזאת מאפשרת למחשב הקוונטי לבצע הרבה חישובים בו זמנית, וכך להאיץ את החישוב. כדי שמחשב קוונטי יוכל לבצע חישובים ארוכים, הקיוביטים שלו צריכים להיות מסוגלים לשמור על הסופרפוזיציה הזאת לאורך כל זמן החישוב, גם בנוכחות קיוביטים אחרים לידם וגם כשהם חשופים להפרעות מהסביבה.

בנוסף, נדרשת מהמחשב היכולת לבצע פעולות שזירה של כל זוג קיוביטים - פעולה שבה נוצר מתאם בין המצב של שני הקיוביטים, כך שכל אחד מהם מתאים את עצמו לשני. איננו יכולים לקבל דבר דומה לזה במערכת מחשבים רגילה, והפעולה קשה לביצוע גם במערכת קוונטית, בפרט כששני הקיוביטים רחוקים פיזית זה מזה.

הקיוביט הוא רעיון מופשט מתחום המידע הקוונטי, אך כדי לבנות מחשב קוונטי נצטרך למצוא דרך מעשית לייצר קיוביט כזה, כפי שהביט הקלאסי מיוצר מרכיבים חשמליים שנקראים טרנזיסטורים בשבב סיליקון. האתגר הכרוך במציאת הטכנולוגיה לבניית מחשב קוונטי קשור לדרך שבה ייוצרו קיוביטים רבים שעונים על הדרישות הללו, ולדרך שבה יהיה אפשר לכתוב לתוכם, לקרוא מהם ולבצע בעזרתם חישובים.

במשך השנים הוצעו ופותחו מערכות פיזיקליות שיוצרות קיוביטים, בין השאר בעזרת יונים (אטומים טעונים) הלכודים זה לצד זה באמצעות שדות חשמליים, על גבי מעגל חשמלי שמשתמש ברכיבים על-מוליכים, על מצב הקיטוב (תכונה מסוימת של חלקיקים) של פוטונים (חלקיקי אור), על ידי יצירת פגמים מכוונים בגבישי יהלום ועוד.

בכל אחת מהטכנולוגיות הושקעו מאמצים רבים ופה ושם גם הצליחו להדגים את הביצועים והיכולות שלהן. בשנים האחרונות הצליחו ליצור באמצעות יונים לכודים ומעגלים מוליכי-על קיוביטים שמבצעים את כל הפעולות הנדרשות ברמת אמינות גבוהה מספיק כדי לאפשר תיקון יעיל של שגיאות חישוב. למחקר בתחום נכנסו גם ענקיות הטכנולוגיה העולמיות כמו IBM, גוגל ואינטל. ממש לאחרונה פרסמו החברות כי כל אחת מהן הצליחה לבנות מעבד קוונטי של 50 קיוביטים, מספר קיוביטים שמאפשר למעבד הקוונטי לבצע חישובים על גבול היכולת של מחשבי העל הקיימים כיום.

אולם המרחק למחשב קוונטי אמיתי עדיין גדול, שכן כדי שהוא יוכל לבצע את המטלות הייחודיות המצופות ממנו, באופן חסין משגיאות, יהיה עליו להכיל אלפי קיוביטים ואפילו מיליונים. זו הבעיה העיקרית בשתי הטכנולוגיות המובילות כיום - קפיצת המדרגה הטכנולוגית שתאפשר לשלוט במספר כה גדול של קיוביטים נראית כרגע רחוקה.

עם הבעיה הזאת מקווים להתמודד בהצלחה באמצעות פלטפורמה טכנולוגית אחרת, שכבר משמשת היום לעבודה עם מיליוני רכיבים צמודים - הסיליקון (צורן בעברית). במחשבים הרגילים של ימינו יש מעבדי סיליקון שמכילים יותר ממיליארד טרנזיסטורים. כשמקררים טרנזיסטורים לטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט, כל אחד מהם לוכד אלקטרונים, ובעזרת הספין שלהם - אחת התכונות הפיזיקליות של חלקיקים אלמנטריים - אפשר ליצור קיוביט בודד.

החוקרים מקווים שכך יהיה אפשר לייצר שבבים מרובי קיוביטים מסיליקון ולנצל את הידע הרב של תעשיית המוליכים למחצה בייצור שבבים מרובי רכיבים. אולם גם בפני הטכנולוגיה הזאת ניצבים קשיים רבים ואתגרים טכניים - למשל יכולות השליטה האלקטרונית בכל קיוביט, בידוד הקיוביטים זה מזה ומהסביבה וביצוע פעולות שזירה ביניהם. נכון לעכשיו עדיין לא הצליחו ליצור קיוביט סיליקון שיפגין ביצועים טובים מספיק.

בשני מאמרים שפורסמו לאחרונה בכתב העת Nature הדגימו קבוצות מחקר העוסקות במחשוב קוונטי תוצאות ניסויים שהצליחו להתגבר על חלק מהבעיות. קבוצת מחקר מאוניברסיטת דלפט (Delft) בהולנד יצרה מעבד של שני קיוביטים שמבצע פעולות חישוביות קוונטיות פשוטות. באמצעות מגנט זעיר בשליטה חיצונית הם שיפרו את הבידוד של הקיוביט מהסביבה וכך הקטינו את השפעת הרעש מהסביבה עליו. החוקרים הצליחו לבצע את הפעולות החישוביות ברמת אמינות גבוהה המתקרבת לנדרש ממחשב קוונטי.

במאמר השני, קבוצת מחקר מאוניברסיטת פרינסטון בארצות הברית הדגימה דרך שונה לבצע שזירה קוונטית בין שתי נקודות קוונטיות. עד כה ביצעו החוקרים את השזירה בין קיוביטים בעזרת פעולת הגומלין בין שני מצבי הספין של הנקודות הקוונטיות השונות, כלומר בזכות העובדה שהספין של אחד הקיוביטים "מרגיש" את הספין של הקיוביט השני ומושפע ממנו, בדומה לשני מגנטים שמרגישים זה את זה כשהם קרובים מספיק. מאחר שזו אינטראקציה חלשה יחסית, פעולת השזירה אינה מהירה מספיק כדי להתמודד עם ההפרעות שאליהן נחשפים הקיוביטים במהלכה.

החוקרים הציעו דרך שונה לשזור בין קיוביטים, על ידי שימוש בפוטון כמתווך. הם נעזרו בעובדה שפעולת הגומלין בין הספין של הקיוביט ושל פוטון היא מהירה ביותר, וביצעו פעולת שזירה בין קיוביט מסוים לפוטון, ואז בין אותו פוטון לקיוביט אחר. כך ביצעו בפועל שזירה בין שני הקיוביטים והדגימו ביצועים משופרים במידה משמעותית. השיפור בביצועים בשני המחקרים הוא בשורה משמחת למי שמקווים לראות את עתיד המחשוב הקוונטי נשזר בטכנולוגיית הסיליקון הוותיקה והמבוססת.

לי פלג הוא מסטרנט במכון ויצמן וכתב באתר מכון דוידסון.