עתיד המחשוב: ננו-צינורות פחמן ומוליכי-על מחליפים את שבב הצורן

עתיד המחשוב הונח תחת אור הזרקורים בכנס של המכון למצב מוצק בפיסיקה ופיסיקת החומרים באוניברסיטת לונדון במארס 2008

סוף עידן שבב הצורן

שבב הצורן (סיליקון), אשר סיפק מספר עשורים של שיפור ניכר ומתמיד בכוח המחשוב ובמהירותו, לא יוכל לשאת עוד בנטל הקצב הזה יותר מאשר עשור אחד – למעשה, בהרצאת אורח בכנס, סומאן דאטה (Datta) מאוניברסיטת פנסילבניה, ארה"ב, נותן לשבב הצורן לא יותר מאשר ארבע שנים בלבד. בעוד מעגלי המחשב המורכבים מצורן הולכים ונעשים קטנים יותר יותר לשם דחיסת יותר רכיבים לשטחים קטנים יותר בשבב, בסופו של דבר התקני האלקטרוניקה הממוזערים מוגבלים ע"י גבולות פיסיקליים בסיסיים. במשך הזמן הם מאבדים מיעילותם והופכים בלתי-מתאימים לאחסון מידע ספרתי. על-כן, אם יימשך הצורך המוכר שלנו בהגברה מתמדת של יכולות המחשוב, טכנולוגיות חדשות אחדות יצטרכו לתפוס את מקומן במקום הצורן.

ננו-צינורות פחמן

בכנס, דיווח חוקרים מאוניברסיטת לידס שבבריטניה על צעד משמעותי לעבר חלופה עתידית צפויה. ננו-צינורות, שנתגלו ב- 1991, הינן צינורות של פחמן טהור בעובי של מספר ננומטרים בלבד – עוביו הממוצע של חלבון טיפוסי, ועשרות אלפים דקות יותר משערת אדם. מאחר והם מוליכים חשמל הם הוצעו לשם שימוש כרכיבים בעלי מידה מולקולארית במעגלים חשמליים. חלק מהננו-צינורות מתנהגים כמוליכים-למחצה, בדומה לצורן; אחרים מוליכים זרם חשמלי, בדומה לתיל מתכתי. כבר כיום, רכיבים בסיסיים של מעגלי-מחשב כגון טרנזיסטורים מיוצרים מננו-צינורות פחמן. אך מגבלת השימוש העיקרית שלהם הינה ארגונם למערכים מעגליים. קושי מסוים אחד טמון בכך שהצינורות מתקבלים כתערובת של צינורות מתכתיים וצינורות מוליכים-למחצה, בעוד יש צורך בסוג אחד נפרד שלהם עבור רכיבים מסוימים. תכונות אלקטרוניות אלו תלויות במערך המדויק של אטומי הפחמן בננו-צינורית, אך קשה לקבוע זאת עבור כל צינורית פרטנית.

בריאן הייקי (Hickey) ועמיתיו באוניברסיטת לידס פיתחו עתה שיטה שתוכל לעזור בזיהוי המבנה המסוים של כל צינורית (ובכך למעשה לאפיין את תכונותיה האלקטרוניות), ואז למקם אותה על משטח ברמת דיוק של 100 ננומטרים. הננו-צינורות מופקים על רשת קראמית מחוררת, ואז צינורות הממוקמים לרוחב החרירים נבחנים תחת מיקרוסקופ אלקטרוני לשם קביעת מבנם האטומי. או אז החוקרים משתמשים בשני מחטים עדינות המחוברות יחדיו כעין מלקטת זערורית ומעבירים צינורית יחידה למשטח אחר. אחד החוקרים אומר כי, "בשיטה זו אנו מסוגלים לייצר התקנים מננו-צינורות פחמן בעלי מורכבות שלא ניתן להשיגה באמצעים אחרים."

מוליכי-על

שתי הרצאות נוספות בכנס תיארו דרך דרמטית עוד יותר להתגברות על המגבלות של מחשבי צורן. האנס מוייג' (Mooij) מאוניברסיטת הולנד וריימונד סימונס (Simmons) ממכון התקנים והטכנולוגיה בקולוראדו, ארה"ב, ייטענו כי מוליכי-על – חומרים המוליכים חשמל תוך כדי אפס התנגדות חשמלית – יוכלו לרתום את כוחה של פיסיקת הקוואנטים בכדי להאיץ את כוח המחשוב בצורה רצינית.

"מחשבי קוונטום" אלו הפכו לאחת הסוגיות החמות ביותר בפיסיקה בעשור שחלף. הם מנסים לשפר את כוחו של הצורן לא רק באמצעות מזעור הרכיבים השונים, אלא גם באמצעות ניצול העקרונות של מכניקת הקוואנטים, התיאוריה המשמשת כיום לתיאור התנהגותם של עצמים בקנה-מידה אטומי ותת-אטומי של חלקיקים. עצמים הנשלטים ע"י תיאורית הקוואנטים יכולים "להימצא" במספר מצבים שונים בו-זמנית, כעין מתג הארה הנמצא בו-זמנית במצב של "כבוי" ו"מודלק". 'רִכּוּב-מַצָּבִים' (superposition) אלו אינם דומים לשום דבר אחר המוכר לנו מחיי היומיום, אך ניסויים רבים מספור הוכיחו כי הם אכן יכולים להתקיים, כל עוד העצמים הקוונטיים לא מופרעים ע"י, לדוגמא, עצם מדידתם.

במחשב קוונטי, שווה-הערך לסיבים (ביטים, bits) המאחסנים מידע בינארי כ- '1' ו- '0' (שני מצבים אפשריים) במחשבים הנוכחיים יהיו סיבים קוונטיים או בשמם "קווביטים", שיכולים גם הם להימצא במצב כפול של '1' ו- '0'. תוצאה זו מגבירה באופן משמעותי את כמות המידע שניתן לקודד בזיכרונו של מחשב קוונטי. החיסרון העיקרי הוא בכך שמצבים אלו עדינים ביותר ובעלי יציבות נמוכה, בייחוד בזיכרונות המכילים כמות רבה שלהם והיכולים להגיב אחד עם השני. מספר מועמדים ליצירת קווביטים נבחנים כעת, כגון אטומים הלכודים מגנטית או בועיות ננומטריות של מוליכים-למחצה. מזה זמן רב ידוע כי "לולאות" של חומרים מוליכי-על יכולים להוביל גם הם ליצירת מצבים אלו, ובכך לשמש כקווביטים. במקרה זה, המצבים הקוונטיים מתייחסים לזרם חשמלי הזורם במחזוריות בטבעת מוליכה בכיוון האחד או המנוגד לו. (במוליכי-על זרם זה יכול להימשך כמעט עד אין קץ בשל העדר התנגדות של החומר).

בכנס, תיאר סימונס את הדוגמא הראשונה של העברת מידע בין שני קווביטים מוליכי-על כאלו. תיאור זה יוכיח כי רכיבים מסוג זה יוכלו לשמש כזיכרון מחשב קוונטי וכצבר של קווביטים שיוכלו לתקשר אחד עם השני, דרישה הכרחית לכל מחשב פעיל. שתי לולאות מוליך-העל בנויות מתילים דקיקים של חמרן (אלומיניום) המחוברים לפיסה של ספיר ומקוררים לכדי 0.1 מעלות מעל האפס המוחלט לשם התנהגותם כמוליכי-על. הם מרוחקים רק כמילימטר זה מזה, אך מקושרים ע"י מוליך-גל (waveguide) פתלתל באורך של 7 מילימטרים – סוג של צינור להעברת אור, בדומה לסיב אופטי, אך עבור גלי-מיקרו. מצבו של קווביט אחד יכול להיות מומר לרטט חשמלי באורך-גל המתאים של מוליך-הגל, בדומה ל"הרעדת" מיתר גיטרה. "פוטון" אנרגיה זה באורך גל מיקרוני, המייצג את המצב הקווביטי הראשון, יכול להיות מועבר באופן מבוקר למצב השני – באופן מכריע, ללא הריסת מצבים קוונטיים עדינים אלו.

מוייג' היה חלק מקבוצה שהדגימה לראשונה בשנת 2000 שלולאות מוליכות-על שכאלה יכולות ליצור מצבים קוונטיים מסוג זה. הוא מתאר את ההתקדמות שהוא ואחרים הצליחו להפיק מאז, הן בהכנת התקנים קוונטיים ישימים והן בשימוש בהם לבחינת היבטים בסיסיים של מכאניקת הקוונטים, כגון האם וכיצד ההתנהגות "המוזרה" של מצבים אלו תתקיים כאשר העצמים יהיו גדולים יותר מאטומים. החוקר אומר כי אחד מהאתגרים הגדולים ביותר בהכנת מחשבים קוונטיים בצורה זו הינו בהתקדמות משני קווביטים לשלושה אשר יוכלו לתקשר אחד עם השני. הוא טוען כי השיטה המסוימת שפותחה על-ידם היא בעלת יתרון בכך, שאם אכן יצליח הדבר, ההגברה למספר קווביטים גבוה יותר לא תהיה כה בעיתית. החוקר אומר כי, "עם הקווביט שלנו, ברגע שיש לנו מערך של שלושה ניתן להתקדם בקלות למערך של עשרים או אפילו חמישים."

לידיעה המקורית