ידענים: מיחשוב קוונטי | פיסיקה קוונטית

מאת 12 באוגוסט 2011 21 תגובות

כתב העת נייצ'ר דיווח אתמול (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

המתקן ב-NIST בו נעשה הניסוי בשזירת אטומים ביחד ליצירת QBIT

המתקן ב-NIST בו נעשה הניסוי בשזירת אטומים ביחד ליצירת QBIT

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.

אבי בליזובסקי

עורך אתר הידען ([email protected]) כל המאמרים של אבי בליזובסקי באתר הידען

21 תגובות ל “פריצת דרך בפיתוח מחשבים קוונטיים: שזירת שני אטומים ביחד”

  1. אהוד

    מספר תיקונים:

    ראשית:
    אלגוריתם גרובר הומצא בשנות התשעים ולא הששים ליתר דיוק 1996 יש לתאריך חשיבות כי התחום של מחשוב קוונטי בעצם נולד כתחום ב1994-1995 כשפיטר שור פירסם את האלגוריתם שלו.

    שנית:
    באלגוריתם של גרובר מחשב קוונטי לא מוצא את הפתרון הנכון בניסיון הראשון אלא יש הסתברות לכך שהוא יצליח. אלגוריתם גרובר עובד ביעחות חישובית של שורש N כך שעבור 4 מספרי טלפון אלגוריתם גרובר ימצא את התשובה לאחר 2 ניסיונות בממוצע לעומת האלגוריתם הקלסי שיהיו דרושים לו 3 ניסיונות. אגב בדוגמא הזו גם אלגוריתם קלסי יצליח בממוצע בפחות מ-3 ניסיונות ויש סיכוי של רבע שימצא את המספר כבר בניסיון הראשון. ההבדל בין האלגוריתם הקלסי לבין זה של גרובר הוא במספר N
    גדול שאז הקלסי דורש מסדר N ניסיונות והאלגוריתם הקוונטי של גרובר שורש N ניסיונות.

    אגב אלגוריתם דויטש ג'וזה הומצא כבר ב-1992 אבל הוא אלגוריתם דטרמינסטי לבעיה מלאכותית שאין בה ענין מלבד ענין אקדמי ולכן הוא לא משך תשומת לב רבה. כאמור האלגוריתם של שור הוא שהתחיל את הענין הרב במחשוב קוונטי.

  2. אחד העם

    היה לי קשה
    התאמצתי
    לא
    באמת הבנתי

    אבל אני סולח לעצמי

    אני באמת שמח שיש לנו כל כך הרבה גאונים כמוכם
    זה די מעודד

  3. גלי וינשטיין

    לפני שנתיים כתבתי על ניסוי באוניברסיטת ייל:
    http://delorian64.wordpress.com/2009/06/29/%D7%9E%D7%A2%D7%91%D7%93-%D7%94%D7%A8%D7%A4%D7%90%D7%99%D7%9D-%D7%94%D7%A7%D7%95%D7%95%D7%A0%D7%98%D7%99-%D7%94%D7%A8%D7%90%D7%A9%D7%95%D7%9F/
    שני אלגוריתמים שניסו לראות אם אפשר להריץ אותם:
    אלגוריתם החיפוש של גרובר (אלגוריתם הסתברותי שהומצא בשנות ה-60 על ידי לב גרובר). ניקח דוגמא מוחשית. אנחנו יודעים שיש לנו מספר טלפון של חבר, אבל לא את שמו. המעבד קורא את כל מספרי הטלפון בספר בבת אחת בשל תכונת הסופרפוזיציה כדי למצוא את התשובה הבודדת הנכונה. סוף התהליך הוא שהקיוביט יהיה במצב אחד ולא במצב סופרפוזיציה וייתן את התשובה. נניח שיש לנו ארבעה מספרי טלפונים, כולל מספר טלפון של חבר ואנחנו לא יודעים איזה מספר מבין הארבעה שייך לאותו חבר. אז מנסים לחייג בערך שלושה מספרים בטרם מגיעים למספר הנכון של החבר. לעומת זאת, מעבד קוונטי יכול למצוא את המספר הנכון בניסיון הראשון. במקום לנסות ולחייג למספר אחד, ואז לעוד מספר ואז לעוד מספר.
    אלגוריתם פשוט יותר הוא אלגוריתם דויטש-ג'וזה (שהוצע על ידי דייויד דויטש וריצ'רד ג'וזה בשנות ה-90). במבחינה מוחשית האלגוריתם בודק האם הטלת מטבע היא הוגנת או לא. אם רוצים לבחון בצורה קלאסית האם המטבע הוא הוגן (פאלי בכיוון אחד, עץ באחר) או מזויף (פאלי או עץ בשני הצדדים), זה דורש בחינה של כל צד. אולם המהלך האנלוגי הקוונטי שקרוי אלגוריתם דויטש-ג'וזה, דורש רק צעד בדיקה אחד.
    אבל הדרך היא עוד ארוכה מאוד מאוד עד למחשב קוונטי…
    הנה:

    http://he.wikipedia.org/wiki/%D7%90%D7%9C%D7%92%D7%95%D7%A8%D7%99%D7%AA%D7%9D_%D7%93%D7%95%D7%99%D7%98%D7%A9-%D7%92'%D7%95%D7%96%D7%94

    והנה:

    http://he.wikipedia.org/wiki/%D7%90%D7%9C%D7%92%D7%95%D7%A8%D7%99%D7%AA%D7%9D_%D7%92%D7%A8%D7%95%D7%91%D7%A8

  4. ר.ח רפאי.ם

    גלי
    תודה על הקישור.

    אבי
    עוד נראה אם מיליארד סינים טועים… 🙂 שמעתי שהם חזקים בפיזיקה.

  5. גלי וינשטיין

    סליחה, סליחה… שכחתי שכאן יושבים מומחים לחלל ואסטרונומיה. אז כן הגענו הרבה מעבר לירח. הגענו לגלקסיות רחוקות. 🙂

  6. גלי וינשטיין

    A new type of ion-trap quantum technology has been developed that uses microwave radiation to perform computations. It will considerably simplify the practical implementation of large-scale quantum computers.

    http://www.nature.com/nature/journal/v476/n7359/full/476155a.html

    שיפור של ניסוי מלכודת יונים. כמו שאמר ניל ארמסטרונג על הירח: זהו צעד קטן לאדם, צעד גדול לאנושות. ומאז… לא הגענו הרבה מעבר לירח… 🙂 נו, אז גם בענין של המחשב הקוונטי, כנראה שלא נגיע הרבה מעבר לירח 🙁

  7. אהוד

    מה הם קיוביטים.

    במחשב רגיל יש ביטים שיכולים לקבל את הערך 0 או 1 ומבחינה הנסדית הללו נשמרים (אם איני טועה
    באמצעות זרמים חשמליים או שדות מגנטיים). ניתן לחשוב עליהם כעל חץ קטן שיכול להצביע למעלה מצב 1 או למטה מצב 0.

    במחשב קוונטי יש קיוביטים שיכולים לקבל את הערך 1 או 0 או כל סופרפוזציה שלהם. הדרך הנוחה לחשוב על כך היא על חץ באורך 1 היכול להצביע על כל נקודה במעגל כאשר הצבעה למעלה פרושה 1 והצבעה למטה פרושה 0.

    שערים לוגיים הם פעולות המשנות את מצב הביטים במחשב רגיל או הקיוביטים במחשב קוונטי.
    לדוגמא שער מסוים הפועל על שני ביטים יכול להפוך את מצבו של ביט קרי להפוך מצב 1 ל0 או מצב 0 ל-1 ,רק אם ביט שני הוא במצב 1 אם הביט השני הוא לא עושה כלום. שערים קוונטים הם כמו שערים לוגים במחשב רק שהם פועלים על קיוביטים.

  8. אהוד

    מהי שזירה קוונטית?
    בפיסיקה הקלסית יש חלקיקים והללו מוגדרים כאובייקטים בתורה.מצב מערכת מוגדר על ידי המיקום והתנעים (התנע הוא מהירות החלקיק מוכפלת במסה שלו). של כל החלקיקים במערכת.
    במכניקת הקוונטים מצב המערכת מגדר על ידי פונקציית גל. לעתים ניתן להפריד את המערכת ולתאר אותה כמכפלה של פונקציות גל עבור כל חלקיק בנפרד, כאשר לא ניתן לעשות זאת המערכת שזורה.
    כאשר זוג חלקיקים שזורים יחד פעולה על פונקציית הגל המשותפת שלהם פועלת על שניהם יחד. מבחינה תאורטית אפילו לא ניתן לדבר על זוג חלקיקים עם זהויות נפרדות.

  9. אהוד

    שוב ספין מדעי אין כמעט קשר בין הניסוי הזה למחשב קוונטי. הדבר דומה למישהו שהיה ממציא שפופרת וואקום חדשה בתקווה כי הגילוי ישפר את המחשב הרגיל. לאפשר מחשוב קוונטי צריך כיום רעיון חדש לגמרי שיאפשר לגשר על חלק מהפערים הטכנולוגיים בפניהם עומדים המתכננים, מה גם שתאורטית לא בטוח כי ניתן לבנות מחשב קוונטי.

    ניסיון קצר לענות על שאלות שהתעוררו. את ההסברים אנסה לתת בשפה פשוטה ולא מתמטית ולכן לפעמים זה יפגום בדיוק שלהם.

  10. גלי וינשטיין

    NIST כבר הרבה זמן עושים ניסויים במלכודות יונים ובשזירה קוונטית.
    לפני שנתיים NIST קפצו וספרו על שזירה של ששה יונים. הם לכדו ששה יונים בשטח זעיר. והם השתמשו בלייזר כדי לתמרן את היונים: החוקרים בדקו את הספינים של היונים. ביונים פגעו פולסים של לייזר ואלה מקמו אותם בסופרפוזיציה של ספין מעלה או ספין מטה. פירושו שלכל יון יש סיכוי של 50 אחוז להימדד עם ספין מעלה או ספין מטה. אבל לפי תורת הקוונטים מדידה תמיד גורמת לקריסה לכיוון אחד: או זה או זה. נגיד שיש לנו ששה יונים. אז יש לנו 64 צירופים אפשריים של ספינים מעלה ומטה. אבל היונים לא נמדדו בשלב הזה של הניסוי. ולכן הם נשארו בסופרפוזיציה. ואז שזרו את כל היונים על ידי יישום תנודות של שתי קרני ליזר לכל ששת היונים. ההפרש בין התדירות של שתי קרני הליזר היה כמעט זהה לתדירות של התנודה הטבעית של ששת היונים. זה יצר צימוד של הסופרפוזיציה של מצבי הספין לתנועה של שרשרת היונים ואז התקבלה שזירה קוונטית של היונים.
    ו-NIST ניסו לשכלל את הניסוי בשנתיים הבאות. והתוצאה פורסמה לפני שלושה ימים. הנה הדיוו האחרון שלהם מלפני שלושה ימים:
    http://www.nist.gov/pml/div688/microwave-quantum-081011.cfm
    הבעיה היא הבאה. תדמיינו שאתם מכניסים תקליטור לתוך דיוידי בגודל של חדר. וההצעה של החוקרים היא למזער את זה. קודם נפתור בעיות נוספות במחשוב קוונטי ואז נגיע לאיפון הקוונטי. אינשאללא…

  11. Roberts

    מעניין מה היה אומר על זה המדען ואיש הרוח שאולי – זו לא שזירה זה פיאה

  12. Dani

    ציטוט: "שערים קוונטיים הם המקבילים של השערים הלוגיים הקלאסיים שבהם אנו משתמשים לביצוע חישובים במעבדים קוונטיים".
    מהם שערים קוונטיים? האם למחשב קוונטי לוגיקה שונה המלוגיקה הבינארית?
    (בלוגיקה של מחשב/מיקרו-טנזיסטור יש 1/0 חיובי/שלילי. מה יש במחשב קוונטי?)

  13. ענת

    מצטערת לאכזב
    זה מה שקורה כאשר מתרגמים מאמר בלי להבין
    החוקרים מפרסמים בסך הכל שיפור של מלכודת היונים המוכרת ומהסוג מבוסס המיקרוגל.
    אבל אין כאן שום דבר מעניין אז מה עושים מתארים את הישומים של של המלכודת הנל אחד הישומים הוא בשזירה קוונטית של יונים לכודים לשם שזירה חייבים לייזר אפילו אם הלכידה התבצעה עם מיקרוגל.

    אם מישהו קורא ולא מבין את הניואנסים הוא חושב שיש כאן המצאה מדהימה אשר מאפשרת טכנולוגית שזירה חדשנית ואם חדשנית אז יש מאמר

  14. יוצמח

    כתבה מעניינת,
    אגב, "המטבעות שזורות" -> "המטבעות שזורים" ..

  15. עמי בכר

    תחום מעניין ומבטיח שאנחנו שומעים עליו כמעט פעמיים בחודש עד כמה הוא התקדם. אני מקווה שעד שאהיה בן מאה ימכרו באייבורי את המחשב הקוואנטי הראשון (עם אחריות לשנה).

    מישהו מסוגל להסביר בקצרה ובמילים פשוטות איך בעצם שוזרים? אבי הסביר מהי שזירה והדבר מובן. איך בדיוק שוזרים 2 יונים או 2 אלקטרונים או משהו אחר לכדי צמדים שפועלים ביחד? (למעלה כתוב שעם לייזר או גלי מיקרו במקרה הזה, אבל ההסבר הזה לא באמת מסביר איך שוזרים אלא עם מה שוזרים).

    בברכת חברים,
    עמי בכר

הוספת תגובה

  • (will not be published)