בדרך למחשבי קוונטים: חוקרים יוצרים מבודד קוונטי לפתרון כשל מערכתי

מתקדמים לעבר יצירת מחשב קוונטי: חוקרים יצרו מבודד קוונטי טופולוגי שיכול להתגבר על אחת הבעיות הגדולות בדרך ליצירת קיוביטים יציבים

חוקרים מאוניברסיטת Rice יצרו “נתיב מהיר אלקטרוני”, שיוכל לתרום לבניית מחשב קוונטי. במאמרם, אשר פורסם ב-Physical Review Letters, הם מתארים כיצד יצרו “מבודד טופולוגי קוונטי”. המכשיר מהווה צעד משמעותי בדרך ליצירת חלקיקים קוונטים המאחסנים ומעבדים מידע.

מחשבים רגילים משתמשים בביטים בינאריים. כל תו במחשב מיוצג על ידי שורה ארוכה של מספרי 0 ו-1. כל ביט יכול להיות במצב 0 או מצב 1, אך אינו יכול להיות בשניהם. לעומת זאת, ביט-קוונטי (קיוביט) נמצא בשני המצבים גם יחד – דבר זה מתאפשר בשל המוזרויות של עולם החלקיקים הקוונטים.

דואליות זו מגדילה באופן משמעותי את מספר אפשרויות היצוג והחישוביות של מחשב קוונטי. “באופן עקרוני אנו לא זקוקים למספר רב של קיוביטים על מנת ליצור מחשב רב-עוצמה”, אומר פרופסור רוי-רוי דו, אחד מצוות החוקרים. לשם ההדגמה, “מיקרו-מעבד רגיל בעל 1 מיליארד טרנזיסטורים, הוא שווה בהערכה גסה למעבד-קוונטי בעל 30 קיוביטים בלבד”. דבר זה מקנה למחשבים קוונטים יתרון עצום על פני המחשבים הרגילים, בתחומים כמו קידוד והצפנה, מודלים של אקלים וסימולציות ביולוגיות.

בנסיונותיהם הממושכים ביצירת מחשב קוונטי, מדענים ברחבי העולם ניסו להמציא שיטות מגוונות על מנת ליצור קיו-ביטים יציבים. אחת הבעיות הקשות שניצבת מולם היא כיצד ליצור קיוביט שהמידע בו לא מושפע או נהרס בשל תנודות קוונטיות (פלקטואציות). המשמעות של פלקטואציות קוונטיות היא חלקיקים ואנטי-חלקיקים הנוצרים ולאחר זמן קצר נעלמים – הם נקראים חלקיקים וירטואלים, וקל להבין מדוע הם עלולים לפגום בתהליך הפעולה של המחשב הקוונטי.

על מנת להתמודד עם הבעיה, הגו המדענים את רעיון “המיחשוב הקוונטי הטופולוגי”. הפתרון הוא לדאוג שכל קיוביט יהיה מורכב מצמד קוונטים קבועים שחולקים את אותה זהות וירטואלית. אבל יש בעיה – מעולם לא יצרו או צפו בחלקיקים מסוג זה, אשר מכונים “פרמיוני מיוראנה” (Majorana fermions) – כיום הם תיאורטים לחלוטין.

אנטי חלקיקים הם בעלי אותן תכונות כמו חלקיקים, מלבד דבר אחד – הם בעלי מטען חשמלי מנוגד. ואילו פרמיוני מיוראנה הם סוג חלקיקים אשר זהים בדיוק לאנטי חלקיקים שלהם (כי הם בעלי מטען ניטרלי).

למרות שהרעיון הוצג כבר בשנת 1937, רק כעת מתחיל המירוץ אחר יצירת זוגות פרמיוני מיוראנה בשבבים. המדענים מאוניברסיטת רייס מאמינים כי ניתן ליצור אותם על ידי הצמדה של מבודד דו-מימדי אל מוליך-על. כך בדיוק עשו החוקרים.

אמנם חשמל לא יכול לזרום דרך מבודד טופולוגי, אך הוא יכול לזרום סביב קצותיו החיצוניים. אם מבודד טופולוגי קטן מחובר למוליך-על, המכשיר יכול ליצור באופן תיאורטי קיוביטים, מסביר איבן קנז, אחד מצוות החוקרים.

לדברי המדענים “אנו אופטימיים מאוד בנוגע לשלב הבא. כעת, רק ניסויים יוכלו לאמת האם מצאנו את פרמיוני מיוראנה, והאם הם אכן מועמדים טובים בדרך ליצירת קיוביטים יציבים”.

ירון פרוכטמן השתתף בהכנת הידיעה.

להודעה לעיתונות