אטומים עם זיכרון ארוך עבור מחשבים קוונטיים

כיצד אפשר להאריך את משך החיים של קיוביט – יחידת הזיכרון הקוונטית?

מחשבים קוונטיים מסעירים את הדמיון ומהווים כר פורה למחקרים ולפיתוחים תעשייתיים בחברות הגדולות בעולם. מחשבים אלה, שעדיין עושים את צעדיהם הראשונים, צפויים לעבד מידע במהירות אדירה ובהיקף עצום שכלל אינם אפשריים בטכנולוגיה הקיימת. הם עשויים לאפשר לנו לפתור בעיות מתמטיות שאין להן מענה, או להתמודד עם התכונות הקוונטיות של העולם שכיום נגישות לנו בעיקר ברמה התיאורטית.

בשעה שמחשב רגיל פועל באמצעות ביט, יחידת זיכרון אשר יכולה להיות במצב 0 או 1, ביחידות זיכרון קוונטיות, או קיוביט, המידע נשמר בו-בזמן גם ב-0 וגם ב-1 – מצב המכונה סופרפוזיציה. קיוביט אחד שקול לביטים רבים ביכולת העיבוד שלו, אך הוא רגיש באופן קיצוני לסביבה, ולכן מאבד את המידע שטמון בו בתוך חלקיקי שניות.

מחקר חדש של ד”ר אור כץ ורועי שחם מהמעבדה של ד”ר עופר פירסטנברג, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, בשיתוף פעולה עם חברת “רפאל”, הוא חלק מפרויקט תיאורטי ומעשי שמציע דרך חדשה לשימור המידע בקיוביטים במשך פרקי זמן ארוכים במיוחד.

זה 20 שנה נחקרת מערכת זיכרון קוונטית, אשר שומרת את המידע בעזרת תכונה ייחודית לאלקטרון שמקיף את גרעין האטום ונקראת ספין. בהפשטה מסוימת, אפשר לומר כי ספין הוא סיבוב של האלקטרון סביב צירו. במצבים מוגדרים היטב, שבהם הספין יציב יחסית, אפשר לדמות שהאלקטרון מסתובב עם או נגד כיוון השעון. מאפיין נוסף הוא שכאשר שני אטומים מתנגשים, הספינים שלהם שומרים על כיווניהם המקוריים או מחליפים אותם ביניהם. כך, הספין נחשב למערכת שמסוגלת לשמור מידע. למשל, אפשר להחליט שספין בכיוון השעון הוא 1 וספין נגד כיוון השעון הוא 0.

כדי שהזיכרון האטומי יהפוך לקוונטי, יוצרים את המידע שאותו נרצה לשמור באמצעות קרן לייזר של פוטונים שנמצאת במצב של סופרפוזיציה. קרן הלייזר משוגרת למכל סגור שמכיל מיליארדי אטומים של גז, והופכת את כיוון הספין של אחד האלקטרונים באחד האטומים של הגז – מבלי שנוכל לזהות מיהו. בהמשך, ניתן לעורר את האטומים של הגז, כך שאותו אלקטרון שהספין שלו התהפך, ישגר פוטון בכיוון מדויק הממשיך את קרן הלייזר המקורית. כך קיבלנו יחידת זיכרון קוונטית בעלת משך חיים ארוך יחסית, אף כי לא יותר מכמה עשיריות השנייה.

לאלקטרונים של גז אציל נדיר אין ספין, אך לגרעין האטום שלהם יש ספין – שמסוגל לשמור על כיוונו אפילו כמה חודשים

המדענים של מכון ויצמן העלו את ההשערה כי שימוש במערכת דומה של פוטונים וגז, שעד כה לא נעשה בה שימוש בהקשר של מִחשוב קוונטי, עשוי להאריך משמעותית את זמן החיים של הקיוביט. מדובר במערכת שבה התא הסגור מכיל שני סוגים של גז. ראשית, גז אלקלי, כמו רובידיום או אשלגן, קולט את המידע מהפוטון בקרן הלייזר, ואז מעביר אותו באמצעות התנגשויות אל גז אציל נדיר, כדוגמת הליום-3.

לאלקטרונים של גז אציל נדיר אין ספין, אך לגרעין האטום שלהם יש ספין – שמסוגל לשמור על כיוונו אפילו כמה חודשים. כדי לקרוא את הזיכרון, מעוררים את הגז האלקלי, אשר קיבל את המידע הקוונטי מהגז האציל באמצעות התנגשויות, ואשר פולט אותו בצורת פוטון. במאמר שפרסמו בתחילת 2021 הציגו חוקרים ממעבדתו של ד”ר פירסטנברג חלק מהתהליך המורכב, והדגימו את הקשר הנוצר בין פוטונים לספין בגרעין האטום – ובחזרה לפוטונים.

החוקרים מעריכים כי בעוד שבמערכות הקלאסיות נדרש זמן רב כדי להעביר את המידע מהאלקטרונים של הגז האלקלי אל הגרעינים של הגז האציל, הדרישות של זיכרון קוונטי מאפשרות לעשות זאת במהירות רבה. הסיבה לכך היא שכל שנדרש הוא תקשורת בין פוטון אחד לאלקטרון אחד של הגז האלקלי ולגרעין אחד של הגז האציל. זאת מכיוון שהמטרה היא ליצור מצב של סופרפוזיציה, לא משנה מי מהאטומים יתנגשו ויעבירו את המידע מהאחד לשני ולשלישי. במאמר נוסף שפרסמו באחרונה, הדגימו החוקרים בנייה של מערכת בעלת תנאים אופטימליים, שמאפשרת למעבר המידע להתקיים ביעילות גבוהה מאוד ויש לה פוטנציאל ליצור מערכת יציבה של זיכרון קוונטי.

אולם הדרך למימושה של מערכת כזו בתחום הקוונטי עדיין ארוכה. המחקרים התיאורטיים והניסויים של החוקרים מתמודדים, שלב אחר שלב, עם הרעיון החדשני – כדי להוביל לפריצת הדרך שצפויה לשרת טכנולוגיות לתקשורת בין מחשבים קוונטיים באמצעות פוטונים. בעקבותיהם, הוקמו בעולם כמה קבוצות מחקר שבוחנות גם הן את הכיוון החדש ומצטרפות לאתגר, שנועד To keep the qubit alive.