זיכרון אטומי

חלום המחשב הקוונטי עדיין רחוק, אבל תא זיכרון קוונטי, ובו חמישה אטומים, כבר קיים

עמית הגר, הארץ, וואלה!

קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/quantomhagger221104.html

מאז המצאתם הפכו המחשבים ליותר זעירים ויותר מהירים. למרות זאת, יש עדיין משימות מסובכות שגם המחשב המהיר ביותר שקיים היום אינו מסוגל לבצע בזמן סביר. דוגמה טובה לכך היא חיזוי מזג האוויר – המחשבים של היום אמנם מסוגלים לכאורה לחזות את מזג האוויר בעוד שלושה ימים, אך הם זקוקים לפחות לשישה ימים כדי לעשות זאת. תחום הסיבוכיות החישובית נחשב עד לא מכבר לתחום מתמטי טהור, אלא שבשנים האחרונות התברר שישנה אולי דרך פיסיקלית לשרטט מחדש את גבולותיו ולקצר את הזמן (או לדחוס את הזיכרון) הדרוש לפתרון בעיות מסובכות.

לפני קצת יותר מעשרים שנה העלה ריצ'ארד פיינמן, חתן פרס נובל לפיסיקה, את ההשערה כי כל מחשב שינסה לחקות או לדמות את התפתחותה של מערכת פיסיקלית קוונטית יוכל לעשות זאת אך ורק באטיות שתלך ותגדל באופן מעריכי עם זמן פעולתה של המערכת הקוונטית המדומה. פירושו של דבר, למשל, שכדי לדמות חצי דקה במערכת קוונטית יידרש המחשב לפרק זמן של 2 בחזקת 30 שניות, שהן קצת יותר מ-34 שנים!

במקום להרים ידיים ולפרש את ההשערה של פיינמן לחומרה, החלו פיסיקאים לחשוב כיצד לפתח מחשבים קוונטיים שיוכלו לחשב מהר יותר מכל מחשב שקיים כיום. כעשור מאוחר יותר הופיע האלגוריתם הקוונטי הראשון, שפיתח פיטר שור מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT). אלגוריתם זה מבוסס על תכונות קוונטיות מסוימות ומסוגל לבצע פירוק מספר לגורמים ראשוניים בפרק זמן קצר יותר מכל אלגוריתם המוכר כיום. פירוק לגורמים ראשוניים הוא פעולה שנחשבה עד אז למסובכת מבחינה חישובית; כה מסובכת, שעל בסיסה נכתב פרוטוקול הצפנה מפורסם, שרובנו עושים בו שימוש יום-יומי ברשת האינטרנט. האלגוריתם של שור, אולי בגלל השימושים הגלומים בו, משך מיד את תשומת לבם של גופים ביטחוניים ושל חברות המחשבים הגדולות, וסלל את הדרך למחקר החישוביות הקוונטית. במקביל החלו פיסיקאים לחפש דרכים לממש את האלגוריתם, כלומר לבנות עבורו את החומרה המתאימה.

גם אם המחשב הקוונטי הוא חלומו של כל כותב תוכנה, הרי שבעבור בונה החומרה הוא נחשב לסיוט. הבעיה היא שרמת המזעור שאליה שואפים הפיסיקאים בבואם לבנות מחשב קוונטי היא עצומה. כדי לשמור על התכונות הקוונטיות שבבסיס האלגוריתמים המהירים דוגמת האלגוריתם של שור, על הפיסיקאים לטפל באופן פרטני באטומים בודדים. אלה אמורים לשמש כרגיסטרים, תאי זיכרון – אותו זיכרון הנשמר במחשבים הקיימים על גבי שבבי המעבדים הזעירים של “אינטל”.

החל באמצע שנות התשעים של המאה שעברה החלו פיסיקאים לדווח על פריצות דרך בתחום, וכיום מתחרות ביניהן כמה קבוצות מדענים ברחבי העולם על הבכורה בבניית תא הזיכרון הקוונטי הראשון. במסגרת זו דיווחה באחרונה קבוצת פיסיקאים גרמנים על תא זיכרון של חמישה אטומי צזיום. הפיסיקאים, שפירסמו את תוצאות הניסויים שלהם בירחון “Review Letters Physical”, הצליחו לייצב את האטומים בעזרת מכשור אופטי מתוחכם הכולל קרני לייזר. קרניים אלו “כולאות” את האטומים ומאפשרות לפיסיקאים להפרידם זה מזה במידה מספקת כדי לטפל בהם באופן פרטני, וכל זאת בלי להרוס את התכונות הקוונטיות שלהם.

תא זיכרון, כשמו כן הוא, אמור “לאחסן” ספרות בינאריות, ביטים של 0 ו-1, שהן האותיות המרכיבות את שפת המחשב. כדי להפוך את חמשת אטומי הצזיום המיוצבים בלייזר לתא זיכרון הפעילו עליהם הפיסיקאים שדה מגנטי, ובעזרת תדרי מיקרוגל שכוילו בהתאם לרמות האנרגיה של האטומים הצליחו לשלוט בקוטביות המגנטית של כל אטום ואטום. שליטה זו איפשרה להם להפוך כרצונם את האטומים ממצב של “0” למצב “1” (או להיפך), וכך למעשה ליישם פעולה לוגית בסיסית על התא. המכשור שבו השתמשו הפיסיקאים איפשר להם להגיע לרמת דיוק של 99% – רק אחוז אחד מהאטומים הכלואים לא “ציית” לתדרי המיקרוגל ולפעולה הלוגית שאותה הם דימו.

הפיסיקאים הגרמנים אמנם מקווים לממש בעוד כשנתיים פעולות לוגיות מסובכות יותר מאשר החלפת “0” ב-“1”, אך גם אם מדובר בפריצת דרך, חלום המחשב הקוונטי עדיין רחוק. אחד המכשולים בדרך להגשמתו הוא העובדה שכל מערכת פיסיקלית, על אחת כמה וכמה מערכת קוונטית זעירה, חשופה לרעשים מהסביבה שאותם קשה, ולרוב כמעט בלתי אפשרי, לבודד. רעשים אלה גורמים לכך שאותן תכונות קוונטיות שעליהן מבוססים האלגוריתמים הקוונטיים דוגמת זה של שור, ושרבים רואים בהן את האחראיות להאצת זמן החישוב, נעלמות כהרף עין. בנוסף, ככל שהמערכת הקוונטית גדלה, התכונות הקוונטיות שלה נעלמות מהר יותר וזמן הגישה אליה מתקצר. “חלון ההזדמנויות” של הפיסיקאים, אם כך, הוא קטן מאוד, וכדי לא לאבד את המשאב האחראי להאצת זמן החישוב הם חייבים “להקדים” את רעשי הסביבה ולהשיג שליטה במערכת בפרקי זמן של ננו-שניות (ננו-שנייה היא מיליארדית השנייה).

עם כל זאת, קבוצת החוקרים מבון דווקא אופטימית לגבי האפשרות להגדיל הן את מספר האטומים בתא הזיכרון והן את זמן הגישה אליהם. הסיבה לאופטימיות נעוצה בניסוי נוסף שערכו הפיסיקאים ובו התברר כי הזמן שבו נשמרות התכונות הקוונטיות בתא במצב שבו הוא מכיל אטום אחד – עומד כרגע על 600 מיקרו-שניות. עד כמה שזה נשמע מעט, זמן זה עדיין מאפשר גישה ישירה לאטום ומניפולציה פרטנית שלו – פעולה מהירה בשלושה סדרי גודל שאורכת רק 200 ננו-שניות.

ריצ'ארד פיינמן אחראי גם לאמרה “אף אחד לא מבין את מכניקת הקוונטים”, ואכן, פרט לספקנות ביחס ליכולת הטכנולוגית להתגבר על רעשי הסביבה, קיים סימן שאלה מושגי בסיסי ביחס למשאב הפיסיקלי שמאחורי החישוביות הקוונטית. יש כאלה הטוענים שמחשב קוונטי לעולם לא ייבנה, ושגם אם ייבנה, שימושיו יהיו מועטים. עם זאת, יש לזכור שכך חשב מנכ”ל IBM בשנת 1943 כשטען ששוק המחשבים הביתיים מונה חמישה משתמשים פוטנציאליים. כך או כך, נראה כי לפחות בעשור הקרוב עדיין נמשיך לחזות את מזג האוויר עם אצבע רטובה ברוח.

הכותב הוא בעל תואר שלישי בפילוסופיה של הפיסיקה, מחבר הספר “זמן ואקראיות” (הוצאת “מפה”)

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~11418320~~~191&SiteName=hayadan