פריצת דרך קוונטית בדרך למחשב חסין שגיאות

שיתוף הפעולה בין מיקרוסופט לפורדו מקרב בניית מערכת קיוביטים טופולוגיים

מיקרוסופט קוונטום פרסמה לאחרונה מאמר ב‑Nature  שבו הודגשו התקדמויות מרכזיות במדידת מכשירים קוונטיים — שלב חיוני לקראת בניית מחשב קוונטי טופולוגי. המחקר נערך על-ידי מדענים ומהנדסי מיקרוסופט, כולל אנשי המעבדה הקוונטית בווסט לאפייט, הממוקמת באוניברסיטת פורדו. במאמר, תיארה הקבוצה את פעולת מכשיר קריטי המשמש כבלוק בנייה בסיסי למיחשוב קוונטי טופולוגי. ממצאיהם מהווים אבן דרך משמעותית בפיתוח מחשבים קוונטיים, אשר יש להם פוטנציאל להיות עוצמתיים ועמידים הרבה יותר מהטכנולוגיות הקיימות.

“תקוותנו במיחשוב קוונטי היא שהוא יסייע לכימאים, למדעני חומרים ומהנדסים העובדים על תכנון וייצור חומרים חדשים, שהם כל-כך חשובים לחיי היומיום שלנו,” אמר מייקל מנפרה, דירקטור מדעי של מעבדת מיקרוסופט קוונטום בווסט לאפייט, פרופסור בולט בפיזיקה ואסטרונומיה, בהנדסת חומרים ובהנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת פורדו. “המטרה של המיחשוב הקוונטי היא בהאצת הגילויים המדעיים ובתרגומם לטכנולוגיות שימושיות. לדוגמה, אם מחשבים קוונטיים יפחיתו את הזמן והעלות לייצור תרופות טיפוליות חדשות מצילות חיים, זו תהיה השפעה חברתית אמיתית.”

בניית המישור הקוונטי בדיוק

צוות המעבדה הקוונטית של מיקרוסופט בווסט לאפייט קידם את החומרים המורכבים בשכבות המרכיבים את המישור הקוונטי של מבנה המכשיר השלם בו נערכו הבדיקות. מדעני מיקרוסופט העובדים עם מנפרה מומחים בטכניקות גידול מתקדמות של מוליכים למחצה, כולל אפיטקסיה באמצעות קרן מולקולרית, המשמשות לבניית מערכות אלקטרוניות בממדים נמוכים אשר מהוות את הבסיס לקוויביטים. הם בנו את שכבות המוליך למחצה והסופרמוליך ברמת דיוק אטומית, והתאימו את תכונות החומר לדרישות המבנה של המכשיר.

מנפרה, חבר במכון למדעי הקוונטום והנדסה של פורדו, ציין את הקשר החזק בין אוניברסיטת פורדו למיקרוסופט, קשר שנבנה לאורך עשור, ואת ההתקדמות שנעשתה במעבדת מיקרוסופט קוונטום בווסט לאפייט. בשנת 2017 העמיקה פורדו את קשריה עם מיקרוסופט באמצעות הסכם רב-שנתי שכלל שילוב של עובדים ממיקרוסופט עם צוות המחקר של מנפרה בפורדו.

“פריצת הדרך במחקר המדידה של מצב החלקיקים הקוויזיים מהווה אבן דרך בפיתוח המיחשוב הקוונטי הטופולוגי ויוצרת רגע מכונן במבנה ההיברידי של מוליכים למחצה וסופרמוליכים,” אמר נשיא פורדו, מונג צ'יאנג. “בנוסף להצלחה האחרונה ביוזמה האסטרטגית של Purdue Computes, שיתוף הפעולה העמוק שהפרופסור מנפרה וצוותו יצרו עם מעבדת מיקרוסופט קוונטום בווסט לאפייט בקמפוס פורדו מהווה את שותפות המחקר התעשייתי המשפיעה ביותר בכל אוניברסיטה אמריקאית היום.”

מדוע מיחשוב קוונטי טופולוגי שונה

רוב המחשבים הקוונטיים מקודדים מידע באמצעות תכונות מקומיות, כגון ספין האלקטרון, ליצירת קוויביטים. עם זאת, קוויביטים אלו רגישים ביותר לגורמים חיצוניים כמו חום, רטט ואינטראקציות עם חלקיקים קוונטיים אחרים, מה שהופך אותם לפגיעים לטעויות הדורשות טכניקות תיקון מורכבות.

מחשבים קוונטיים טופולוגיים נוקטים בגישה שונה בכך שהם מפיצים את המידע על פני מספר חלקיקים הפועלים יחד. גישה זו הופכת את מצב הקוויביט ליציב בהרבה, שכן שינויו מצריך שינוי מצב כל החלקיקים המעורבים. כתוצאה מכך, קוויביטים טופולוגיים עמידים יותר להפרעות ומספקים בסיס חזק יותר למיחשוב קוונטי.

במאמר ב‑Nature , הצליח צוות מיקרוסופט למדוד בצורה מדויקת ומהירה את מצב החלקיקים הקוויזיים המרכיבים את בסיס הקוויביט.

“המכשיר משמש למדידת תכונה בסיסית של קוויביט טופולוגי במהירות,” אמר מנפרה. “הצוות נרגש להמשיך ולבנות על התוצאות החיוביות הללו.”

קידום טכנולוגיית מוליכים למחצה-סופרמוליכים עוד יותר

“הצוות בווסט לאפייט דחף את טכנולוגיית האפיטקסיה הקיימת לרמה חדשה של מצוינות עבור מבנים היברידיים של מוליכים למחצה וסופרמוליכים, כדי להבטיח ממשק מושלם בין כל בלוקי הבנייה של המערכת ההיברידית של מיקרוסופט,” אמר סרגיי גרונין, חוקר במעבדת מיקרוסופט קוונטום.

“איכות החומרים הנדרשת לצ'יפים של מיחשוב קוונטי מחייבת שיפורים מתמידים, ולכן זהו אחד האתגרים הגדולים ביותר,” הוסיף גרונין. “ראשית, היינו צריכים להתאים ולשפר את טכנולוגיית המוליכים למחצה כדי להגיע לרמה חדשה שאף אחד לא הצליח להשיג קודם לכן. אך באותה מידה חשוב היה לפתח את המערכת ההיברידית הזו – לשם כך, היה עלינו למזג חלק של מוליך למחצה עם חלק של סופרמוליך. כלומר, יש לשפר את שני המרכיבים ואת הממשק ביניהם.”

הזדמנות ייחודית לסטודנטים בפורדו

על אף שהעבודה עליה דובר במאמר ב‑Nature  בוצעה על-ידי עובדים של מיקרוסופט, החשיפה למחקר ופיתוח בקנה מידה תעשייתי מהווה הזדמנות יוצאת דופן גם לסטודנטים בפורדו בקבוצת המחקר של מנפרה. ג'ון ווטסון, ג'פרי גארדנר וסאעיד פאלאהי, הנכללים בין מחברי המאמר, השיגו את תארי הדוקטורט שלהם תחת מנפרה וכעת עובדים עבור מיקרוסופט קוונטום ברדמונד, וושינגטון, ובקופנהגן, דנמרק. רוב תלמידיו לשעבר של מנפרה עובדים כיום בחברות מיחשוב קוונטי, כולל מיקרוסופט. טיילר לינדמן, העובד במעבדה בווסט לאפייט ועזר לבנות את המבנים ההיברידיים הנדרשים, משלים דוקטורט בפורדו בהשגחת מנפרה.

“עבודתי במעבדת הפרופסור מנפרה, יחד עם פעילותי במיקרוסופט קוונטום, נתנה לי יתרון משמעותי בהתפתחות המקצועית, וסייעה למחקר האקדמי שלי,” אמר לינדמן. “באותו זמן, רבים מהמדענים ומהמהנדסים בעולם במיקרוסופט קוונטום מגיעים מרקע אקדמי, והיכולת להיעזר בידע שלהם ובניסיונם היא משאב בלתי נפרד בלימודי הדוקטורט שלי. משתי הפרספקטיבות, זו הזדמנות נהדרת.”

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• נקודות קוונטום הקטנות ביותר
• התקדמות עצומה בפיתוח מיחשוב הקוונטי
• ישראל תשקיע במערך מיחשוב קוונטי לנושאי בטחון