מדעני יבמ השיגו פריצה משמעותית בדרך למיחשוב ברמת חלקיק האטום

חוקרים במעבדות יבמ (IBM) רשמו התקדמות משמעותית בדרך לבניית מחשב קוונטי. הם השיגו שלושה שיאים חדשים: צמצום מספר שגיאות הקריאה וכתוצאה מכך – צמצום מספר שגיאות החישוב, וכן שיא באמינות שמירת המאפיינים המכאניים של תנועת הסיבית הקוונטית (qubit). המדענים הגיעו לכך באמצעות שילוב בין שורת טכנולוגיות המיושמות במעבדות המחקר של הענק הכחול ביורקטאון הייטס, ניו-יורק.

על פי החזון הטכנולוגי, מחשבים קוונטיים יפעלו במהירויות גדולות בכמה וכמה סדרי גודל מאלה המוכרים לנו כיום, באמצעות שימוש בעקרונות מכניקת הקוונטים: במקום הטרנזיסטורים הידועים, שבהם קיימים שני מצבים בלבד – "1" (זרם עובר) ו-"0" (זרם מנותק) – נשען המיחשוב הקוונטי על שינוי במסלול החלקיקים המקיפים את האטום ובמרחק בין המסלול הסיבובי הזה לגרעין האטום.

בדרך למיחשוב קוונטי יש להתגבר על בעיה מעשית מורכבת, שנוגעת לאופן הקריאה של מצב החלקיקים בכל רגע נתון, כמו גם שמירה ושליטה על המסלול שלהם.

המידע במיחשוב קוונטי נשמר בסיביות קוונטיות. החוקרים בחרו להשתמש בסיביות שכאלה בסביבת מוליכי-על, הנבנות בטכנולוגיות ייצור מקבילות לאלה שבהן נעשה שימוש בעולם שבבי הסיליקון. כך, ממחיש החידוש הנוכחי של יבמ את הפוטנציאל להרחבה עתידית של תהליך הייצור, על מנת לבנות אלפים ומיליונים של יחידות כאלה.

המאפיינים המיוחדים של סיביות קוונטיות מאפשרים למחשב קוונטי לעבוד על אלפי חישובים בעת ובעונה אחת – לעומת מספר מוגבל ביותר שבו מסוגל מחשב רגיל לטפל. כך, למשל, מערך של 250 סיביות קוונטיות כולל יותר סיביות מידע מאשר המספר הנדרש על מנת למנות את כל החלקיקים האטומיים הקיימים בתבל.

השימושים הראשונים במיחשוב קוונטי עשויים להיות בתחום הצפנת נתונים. יישומים אחרים צפויים לכלול בסיסי נתונים במידע בלתי מובנה, לאפשר מיטוב של משימות ולפתור בעיות מתמטיות מורכבות במיוחד.

איך זה עובד?
אחת הבעיות המרכזיות שניצבות בפני מדענים המפתחים יישומי מיחשוב קוונטי נוגעת לחוסר העקביות של קריאת הנתונים: שגיאות בחישובים שנולדות בשל שילוב גורמים המשפיעים עליהן, דוגמת חום, קרינה אלקטרו-מגנטית ופגמים בחומרים.

על מנת להתמודד עם הבעיות הללו, המדענים מחפשים שנים ארוכות דרכים לצמצום מספר השגיאות באמצעות הארכת משך הזמן שבו שומרת סיבית קוונטית על המאפיינים המכאניים שלה: ככל שהחלקיק התת-אטומי יתמיד במסלול אליו עבר על מנת לייצג סיבית מידע, אפשר יהיה לקרוא סיבית זו באופן מדויק יותר ולחזור על הקריאה מספר גדול של פעמים. כשהזמן ארוך מספיק אפשר גם להפעיל מנגנוני תיקון שגיאות המבצעים חישובים ארוכים ומורכבים.

יבמ עורכת ניסויים בסיבית קוונטית תלת מימדית 3D qubit, בגישה שנולדה באוניברסיטת ייל שבארצות הברית. הצוות של החברה משתמש בסיבית כזאת על מנת לשמור על המאפיינים המכאניים של הקוונטים למשך 100 מיקרו-שניות – מעט מעבר לערך הסף המינימלי המאפשר הפעלת מנגנון תיקון שגיאות. בעקבות הצלחת המחקר הנוכחי יוכלו מדענים להתחיל להתמקד בהיבטים ההנדסיים הרחבים יותר של בניית מערכות קוונטיות, וכן בהרחבה ובמדרוג של מערך הסיביות הקוונטיות.

בניסוי אחר שנערך במעבדות המחקר של הענק הכחול הצליחו החוקרים להציג עבודה של סיבית קוונטית מסורתית יותר, במבנה דו-מימדי, 2D qubit, וליישם פעולה לוגית של מערך בן שתי סיביות כאלה על מנת להגדיר פעולת "לא" מבוקרת (controlled-NOT CNOT). הרכיב הזה מציג שיעור הצלחה של 95%, המתאפשר בזכות זמן קריאה עקבית של כמעט 10 מיקרו-שניות.

בדרך לבניית מחשב קוונטי ניצבים עדיין אתגרים מדעיים וטכנולוגיים גדולים במיוחד. ואולם, התוצאות הנוכחיות מצביעות על תמונה חיובית ממנה ניתן להסיק שאפשר יהיה לבנות מחשב כזה בעתיד שאינו רחוק מאוד.

מאז אמצע 2009 רשם הענק הכחול התקדמות משמעותית בבניית רכיבי ליבה קוונטיים, תוך שיפורים של פי 100 עד פי 1,000 בביצועיהם. כאמור, התוצאות הנוכחיות מציבות את החוקרים קרוב מאוד לערכי המינימום של ביצועים ורמת דיוק הנדרשים לבניית מחשב קוונטי בהיקף מלא.

ביבמ חוזים, כי מערכת מיחשוב קוונטי תכלול מערכת מחשב קלאסית, שקשורה באופן הדוק לחומרה המבצעת עיבוד קוונטי. על מנת לאפשר את הקישור הזה חייבות המומחיות והטכנולוגיות בתחום התקשורת והמארזים של רכיבי מחשב להמריא מעל ומעבר למוכר לנו כיום במערכות המתוחכמות ביותר.

עבודת המחקר של יבמ תוצג בכנס השנתי של החברה האמריקנית לפיזיקה, שנערך השבוע בבוסטון.