מעגל קוונטי

חוקרים בנו מעגל חשמלי שיכול לשמור על מידע קוונטי לאורך זמן, מה שעשוי לשפר את תפקוד המחשוב הקוונטי העתידי

מכניקת הקוונטים מתארת את התנהגות הטבע בקנה מידה זעיר ביותר, ועולם המחשוב הקוונטי שואף להשתמש בה לצורך עיבוד נתונים מתקדם ומהיר. עיקרון הפעולה המרכזי שלו הוא סופרפוזיציה – תופעה קוונטית שבה מערכת אחת יכולה להימצא בשני מצבים בו-זמנית. במחשב הקוונטי, מערכת זו היא הקיוביט – הביט (יחידת מידע) הקוונטי – שיכול להיות בו-זמנית גם 0 וגם 1 (בניגוד לביטים במחשב הקלאסי שיכולים להיות במצב פעולה אחד בכל פעם, 0 או 1). לכן יש לו פוטנציאל חישובי אדיר.

ב-20 השנה האחרונות החל מרוץ טכנולוגי-מדעי לבניית מחשוב קוונטי, ומדינות וחברות ענק (כגון גוגל, מיקרוסופט, אמזון ו-IBM) החלו להשקיע מאמצים רבים בפיתוחו. התשתית העיקרית של מחשוב זה היא מעגלים חשמליים מוליכי-על (אשר מוליכים זרם חשמלי ללא התנגדות). כשמקררים אותם לאפס מעלות, הם מתנהגים באופן קוונטי. כך גם נעשה חיבור בין קיוביט לקיוביט, מה שמאפשר את היווצרות המחשוב הקוונטי.

ד”ר מיכאל שטרן מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בר אילן וצוותו בונים מעגלים חשמליים מוליכי-על (כלומר, את הבסיס של המחשב הקוונטי העתידי) ומנסים לשפר את תכונותיהם. זאת, כדי לשמור כמה שיותר זמן על המידע הקוונטי שנובע מהמעגלים החשמליים (למשל זרימת האלקטרונים במעגל, עם כיוון השעון, נגדו או בשני הכיוונים בו-זמנית) ועל יציבותו, כך שלא יאבד.

לדברי ד”ר שטרן, “החישוב הקוונטי צריך להיות כמה שיותר יציב אחרת המידע הקוונטי הולך לאיבוד. לכן אנחנו מנסים לבנות סוגים חדשים של קיוביטים ולשפר אותם ואת המעגלים החשמליים שזורמים בהם כדי שהמידע הקוונטי יישמר זמן רב ככל האפשר. בנוסף, אנו מנסים להתחבר למערכות חיצוניות מיקרוסקופיות, מחוץ למעגלים הקוונטיים מוליכי-העל. מערכות אלו הן זיהומים (אטומים זרים) בתוך מוליכים למחצה, כגון גביש של סיליקון. לזיהומים אלה יש   פוטנציאל אדיר לשמירת מידע קוונטי. הם יכולים לשמור עליו ללא הגבלת זמן כמעט ובעת הצורך להעבירו חזרה לקיוביטים, כמו הסרט (BUS) שמחבר בין המעבד לזיכרון במחשב הקלאסי”.

באחד ממחקריהם האחרונים, שזכה במענק מחקר מהקרן הלאומית למדע, פיתחו החוקרים קיוביט שטף שכולל מעגל מוליך-על שמורכב ממצע של סיליקון שמעליו מנדפים אלומיניום. בנוסף, הוא כולל כמה צמתי ג’וזפסון – רכיב מרכזי בתשתית של כל מחשב קוונטי מוליך-על, שמורכב משתי יחידות אלומיניום (מוליכי-על) שביניהן שכבה דקה של תחמוצת (חומר מבודד). כך יצרו מעגל זרם חשמלי מקרוסקופי שיכול לנוע בו-זמנית ימינה ושמאלה (מצב סופרפוזיציה), עם כיוון השעון או נגדו. במקביל בנו החוקרים מעגל רזונטור – מעגל חשמלי מוליך-על שמבוסס על אלומיניום ומאפשר לקרוא את מצב הקיוביט (כלומר אם המעגל החשמלי שבתוכו נע בכיוון אחד או שני, או בשני הכיוונים במקביל); מעגל זה מצומד לקיוביט, התדר שלו משתנה לפי מצבו, וכך אפשר לדעת אם הקיוביט פועל נכון ושומר על המידע הקוונטי.

החוקרים ייצרו כ-30 קיוביטים כאלה, ובאמצעות מעגל רזונטור אמדו את תפקודם ומדדו את משך הזמן שהם התנהגו באופן קוונטי ושמרו על המידע הקוונטי. כך גילו שמידע זה הצליח להישמר במשך 30 מיקרו שניות – קוהרנטיות (הימשכות הסופרפוזיציה) ממושכת לעומת זו הקיימת כיום (פי חמישה). בשלב הבא הם מתכננים לצמד את הקיוביט החדש לזיהומים בתוך גבישי יהלום וסיליקון ולבדוק עד כמה יוכלו לשמר את המידע הקוונטי. כך הם מקווים להמשיך לבנות בסיס איתן ואמין עבור המחשוב הקוונטי.

החיים עצמם:

ד”ר מיכאל שטרן, בן 45, גר בגבעת שמואל, נשוי + ארבע בנות (19-9), עלה לארץ מצרפת בהיותו בן 24. עשה תואר ראשון ושני בהנדסת חשמל במוסד האוניברסיטאי CentraleSupelec בפריז ותואר שלישי באופטיקה של מוליכים למחצה במכון ויצמן למדע. את מחקר הפוסט-דוקטורט שלו עשה בתחום מעגלים מוליכי-על במכון לאנרגיה אטומית (CEA) בפריז. לאחר מכן הקים את המעבדה למערכות קוונטיות היברידיות באוניברסיטת בר אילן, וכיום רוב זמנו מוקדש לניהולה.