התקדמות קריטית בנתיב המוביל לבניית מחשב קוונטי

מדענים ביבמ חושפים שני חידושים משמעותיים, המקרבים אותנו למימוש בפועל של רעיון המחשב הקוונטי. לראשונה, הציגו חוקרים אלה יכולת לאתר ולמדוד בו זמנית את שני הסוגים השונים של שגיאות קוונטיות. במקביל, הציגו החוקרים תכנון של מעגל סיבית קוונטום המהווה את הארכיטקטורה היחידה אותה ניתן להגדיל בהצלחה גם למימדים גדולים יותר.

מדענים ביבמ חושפים שני חידושים משמעותיים, המקרבים אותנו למימוש בפועל של רעיון המחשב הקוונטי. לראשונה, הציגו חוקרים אלה יכולת לאתר ולמדוד בו זמנית את שני הסוגים השונים של שגיאות קוונטיות. במקביל, הציגו החוקרים תכנון של מעגל סיבית קוונטום המהווה את הארכיטקטורה היחידה אותה ניתן להגדיל בהצלחה גם למימדים גדולים יותר.

ככל שחוק מור הולך ומקרב אותנו לקצה גבול המזעור האפשרי בעולם הסיליקון המסורתי, צפוי המחשוב הקוונטי להיות לאחת ההמצאות העשויות לבשר עידן חדש של חדשנות. מחשבים קוונטיים פותחים אפשרויות חדשות בתחומי האופטימיזציה והסימולציה, אליהן לא ניתן להגיע באמצעות המחשבים המוכרים לנו כיום. אם אפשר יהיה לבנות מחשב קוונטי המשלב 50 סיביות קוונטיות בלבד (50 qbits) – יהיה מחשב בודד זה חזק מכל שילוב מצרפי של 500 מחשבי העל החזקים ביותר בעולם הפועלים כיום.

פריצת הדרך של יבמ מוצגת בגיליון האחרון של כתב העת המדעי Nature Communications, ומציגה לראשונה את האפשרות לאבחן ולמדוד את שני הסוגים השונים של שגיאות קוונטיות (היפוך-סיבית – bit-flip, והיפוך מצב phase-flip), שיתרחשו במחשב קוונטי אמיתי. עד היום, אפשר היה להתמודד בכל מדידה רק עם סוג אחד מהשניים – אולם מעולם לא נמדדו השניים בו-זמנית. מדידה כזאת מהווה צעד חיוני על מנת לבנות מנגנון תיקון שגיאות קוונטיות, המהווה דרישה בסיסית בבניית מחשב קוונטי אמין בקנה מידה גדול.

המעגל הקוונטי החדשני והמורכב אותו הציגה יבמ, מבוסס על סריג רבוע של ארבע סיביות קוונטיות בעלות תכונות הולכת-על, הממוקמות על גבי שבב שכל גודלו כרבע אינצ’ מרובע, ומאפשרות לאתר ולמדוד שגיאות קוונטיות בו-זמנית. הבחירה במבנה רבוע, לעומת מערך טורי המונע איתור בו זמני של השגיאות, מציגה את הפוטנציאל הגבוה ביותר להרחבת קנה המידה של השבב הקוונטי, באמצעות הוספת סיביות קוונטיות עד לבניית מערכת מחשוב קוונטי מתפקדת.
אם בעבר התמקד המחקר המסורתי בתחום המחשוב הקוונטי ביישומים בתחומי ההצפנה, הרי כיום מאמינים ביבמ ביכולתן של מערכות המבוססות על חלקיקים קוונטיים לנתח ולפתור בעיות בתחומי הפיזיקה והכימיה הקוונטית, שאינן ניתנות כיום לפתרון. יכולות אלה עשויות להיות בעלות פוטנציאל עצום בתחומי חקר החומרים או תכנון תרופות, ולפתוח שער לעולם חדש של יישומים.
כך, למשל, בתחומי הפיזיקה והכימיה, עשוי מחשוב קוונטי לאפשר למדענים לתכנן חומרים חדשים או תרופות חדשות – ללא צורך בעבודת מעבדה יקרה המתנהלת במתכונת של ניסוי וטעיה, ובאופן הנושא עימו פוטנציאל להאצה משמעותית בקצב החדשנות בשורה ארוכה של תחומי תעשיה.
בעולם המטפל בכמויות עתק של נתוני Big Data יהיו מחשבים קוונטיים מסוגלים למיין במהירות ולאצור בסיסי נתונים גדולים מאי-פעם, כמו גם נפחים עצומים של מידע בלתי מובנה מסוגים שונים. יכולות אלו עשויות לשנות את האופן שבו מקבלים בני אדם החלטות, כמו גם את תהליכי הגילוי הקריטיים במגוון תחומי מחקר תעשייתי.

אחד האתגרים הגדולים ביותר הניצבים בפני מדענים המבקשים לנצל את העוצמה הגלומה במחשוב קוונטי, נוגע לשליטה בחוסר העקביות המאפיין את התופעה הקוונטית, ובביטול השפעתה על מערכת המחשוב. חוסר עקביות זה נובע מהיווצרות שגיאות חישוב, הנגרמות כתוצאה מהשפעה מצטלבת של גורמים דוגמת חום, קרינה אלקטרו-מגנטית ופגמים בחומרים. השגיאות מהוות עניין משמעותי במיוחד במכונות קוונטיות, שכן המידע הקוונטי רגיש במיוחד לכל שגיאה כזו.

עבודות קודמות בתחום זה, שהתבססו על מערך לינארי של סיביות קוונטיות, לא הצליחו להתמודד בו זמנית עם תופעות היפוך סיבית והיפוך מצב. התוצאות שהושגו במערך הקוונטי הרבוע של יבמ מעבירות את החוקרים מעבר למשוכה זו, בזכות האפשרות לאתר לראשונה בו זמנית את שני סוגי השגיאות הקוונטיות, באופן שאותו ניתן יהיה להרחיב גם למערכות גדולות יותר.

לאתר שגיאות קוונטיות
הפיסה הבסיסית ביותר של מידע אותה מבין מחשב טיפוסי, היא סיבית מידע. בדומה לאור, שאותו ניתן למתג בין מצב דולק למצב כבוי, גם לסיבית רגילה יכולים להיות שני ערכים בלבד: “0” או “1”. אולם סיבית קוונטית, מסוגלת להציג כל אחד מערכים אלה – כמו גם את שניהם יחד, בעת ובעונה אחת. התופעה, שזכתה לשם חפיפה קוונטית (superposition), מכונה פשוט “0+1”. סימון חפיפה זה חשוב, משום שהיחס בין המצבים “0” ל-“1” מהווה למעשה את הבסיס לכל עולם המחשוב כפי שהוא מוכר לנו כיום. מצב החפיפה, יאפשר לקצר משמעותית את הזמן הנדרש לעיבוד ולמציאת פתרונות לבעיות המוצגות בפני המחשב, בזכות האפשרות להפחית את מספר תנועות העיבוד הנדרשות לביצוע כל חישוב.

בתוך מצב החפיפה, עלולים להתגלות שני סוגים של שגיאות: הראשונה, היא היפוך סיבית, שבו מתחלף “0” ב”1″ ולהפך. כאן, מדובר במצב דומה להיפוך סיבית המוכר מעולם המחשוב הנוכחי, ועבודות קודמות כבר הראו כיצד לאבחן היפוך כזה המתרחש בסיבית קוונטית. אלא שלא די בכך על מנת להציג מנגנון תיקון שגיאות קוונטיות, משום שלצד היפוך הסיבית עלול להתרחש גם היפוך מצב: כאן, מדובר בהיפוך קשר הפאזה בין 0 ל- 1 במצב חפיפה. שני סוגי השגיאות חייבים להיות מזוהים בו זמנית על מנת לאפשר למנגנון תיקון השגיאות לפעול כראוי.

המידע הקוונטי רגיש במיוחד, משום שכל הטכנולוגיות המוכרות של סיביות קוונטיות חשופות לאבדן המידע בכל אינטראקציה עם חומר או קרינה אלקטרומגנטית. מדענים תיאורטיקנים הגדירו דרכים לשימור המידע לזמן ארוך משמעותית, באמצעות פיזור המידע בין סיביות קוונטיות רבות. “קוד שטח”, (Surface Code) הוא טכניקה לשיטה ספציפית לתיקון שגיאות, המפזרת מידע קוונטי בין מספר גדול של סיביות קוונטיות. השיטה מאפשרת רק לסיבית הקרובה ביותר לקודד סיבית קוונטית לוגית אחת, באופן היוצר מערך יציב מספיק על מנת לפעול ללא שגיאות.

צוות המחקר של יבמ השתמש במגוון טכניקות על מנת למדוד את מצבם של שני סינדרומים עצמאיים של סיביות קוונטיות. כיוון שסיביות קוונטיות אלו ניתנות לתכנון ולייצור תוך שימוש בטכנולוגיות סיליקון סטנדרטיות, צופה יבמ כי ברגע שבו ניתן יהיה לייצר קומץ סיביות קוונטיות באופן אמין וסדרתי, ולשלוט בסיביות אלו ברמת שגיאות נמוכה, תוסר המשוכה הבסיסית, המונעת הפעלת מערך תיקון שגיאות בסריג סיביות קוונטיות בקנה מידה גדול יותר.