ספינטרוניקה מולקולרית – טכנולוגיה חדשה למחשוב קוונטי

מולקולות אורגניות פתחו אפשרות חדשה ומעניינת לפיתוח מחשב קוונטי יעיל ויציב. מצד אחד מולקולות פחמן יציבות יותר ומאפשרות חישוב בכמות גדולה יותר של קיוביטים, מצד שני השליטה העדינה במולקולות עדיין בחיתוליה

מעבד 16 קיוביט של IBM. צילום יחצ
מעבד 16 קיוביט של IBM. צילום יחצ

המהפכה הקוונטית השנייה כבר בעיצומה. מחשבים המבוססים על תכונות קוונטיות יחוללו מהפכה עולמית במגוון תחומים. עידן המחשבים הקוונטים הכלליים (עליונים ביעילות חישוב ואדפטיביים לתכנות) יפתרו בעיות מורכבות ששום מחשב-על כיום לא מסוגל לחשב בזמן סביר. מחשבים מבוססי טרנזיסטורים (מחשבים ביתיים) מקודדים את המידע ברשותם בעזרת השיטה הבינארית. כל פיסת אינפורמציה ("ביט") מתורגמת לשרשרת ייחודית המורכבת מהספרות 1 ו-0. המידע הדיגיטלי הוא למעשה זרם הזורם בטרנזיסטורים המרכיבים את המעבד – כאשר הזרם עובר בטרנזיסטור אנחנו מכנים את הביט כ-1 וכאשר אין בו זרם הוא מייצג את הספרה 0.

בשנת 1997 התאורטיקן דניאל לוס ודויד דיוינסנזו הציגו לראשונה את התנאים הבסיסיים ליצירת מחשב קוונטי. לעומת המחשבים הקלאסיים, פיסת האינפורמציה הבסיסית ביותר במחשב קוונטי נקראת "קיוביט" שלמעשה מורכבת מחלקיק בודד. לחלקיק תכונה קוונטית הנקראת ספין ובמילים פשוטות היא מתארת את הכיווןשבו החלקיק מסתובב סביב עצמו, ממש כמו שכדור הארץ מסתובב סביב עצמו ביחס לציר מוגדר. הערך הדיגיטלי מכל חלקיק מתורגם ביחס לאיזה ציר החלקיק מסתובב. אם הציר מכוון כלפי ה"קוטב הצפוני" של החלקיק נכנה את ערך הספין כ-1 וביחס ל"קוטב הדרומי" כ-0. אם שומרים על החלקיק בתנאים הנכונים, הוא יכול "להסתובב" סביב שני הצירים בו זמנית ובכך לנצל את מרחב האפשרויות במקביל. כשהחלקיק מבודד מהסביבה הוא יכול להימצא בכל ציר על פני הקליפה הכדורית ואם הוא לא נוכח במלואו כלפי אחד הקטבים אנחנו מכנים את המצב כסופר-פוזיציה, כלומר החלקיק מסתובב קצת סביב הקוטב הדרומי וקצת סביב הקוטב הצפוני, הוא אחוז מסוים במצב 0 ובאחוז משלים ב-1. כאשר מונחים מאות חלקיקים במצב זה השזורים אחד בשני, כלומר ערכי הספין של החלקיקים קשורים אחד בשני, נוצר פיסת אינפורמציה שאפקטיבית יכולה להימצא בכל מרחב האפשרויות בו זמנית. התכונה המוזרה מאפשרת ליצור מעין חישוב מקבילי מהיר ויעיל.

מלבד הבסיס הספינורי שדיווינסנזו הציע, הוא הפנה לתשומת לב הקהילה המדעית עוד ארבעה תנאים לקיומם של מחשבים קוונטיים בין השאר זמן החיים של המידע השמור, עד כמה המערכת רגישה למניפולציות ועד כמה איכותית קריאת המידע מהמערכות הפיזיקאליות המורכבות. כיום, המודל של דיוונסנזו הוא המודל המוביל וקיימים מספר יישומים המנצלים את תכונת הספין של האלקטורנים לטובת חישוב- דרך מלכודת יונים, מוליכי על ועד ניצול חורים במבנה הגבישי של היהלום. לצערנו, התנאים הפיזיקאליים הדרושים למערכות שכאלו קיצוניים מאוד – וואקום כמעט מושלם, טמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט ובידוד מהסביבה. לצד התנאים המאתגרים, המערכות קשות לשליטה ככל שמספר הספינים (הקיוביטים) גדל.

התקני ספינטרוניקה אורגנית נסיוניים. איור: Deepak Venkateshvaran
התקני ספינטרוניקה אורגנית נסיוניים. איור: Deepak Venkateshvaran

ספינטרוניקה מולקולרית

אלקטרוניקה המבוססת על הספין של האלקטרון ולא על המטען החשמלי שלו מכונה "ספינטרוניקה". את גודלו של הספין ניתן למדוד ולשלוט בעזרת שדות מגנטיים חיצוניים. השימוש העיקרי בספינטרוניקה מופיע בעיקר בזיכרונות קשיחים במחשבים ביתיים ובדיסק און קי. לאחרונה חוקרים גילו שניתן להשתמש בספינטרוניקה בעזרת שרשראות של מולקולות פחמן ואולי בעתיד להשתמש בהם כבסיס למחשוב קוונטי. מסתבר שיחסית בקלות ניתן לצמד את מולקולות הפחמן במרווחים קטנים ואפילו בעזרתם להקטין את מידת הרעש לעומת חומרים מוליכים אחרים שעשויים שמש כקיובטים. בזכות הקטנת הרעש ניתן להשתמש במולקולות הפחמן לחישובים ארוכים ויציבים יותר. לצד ההבטחות המרשימות, ישנם מספר בעיות פתוחות שאין עליהם עדיין מענה, כמו למשל מה המנגנון שמאריך את היציבות הקוונטית של מערכות מבוססות מולקולות אורגניות כמו פחמן? איך באמצעותם ניתן לבנות מעגלים חשמליים לחישוב? וגם אם נגבור על בעיות אלו נצטרך לדעת כיצד ניתן למדוד את הספין של מולקולה בודדה ולהשפיע עליה בצורה מדויקת בלי לפגוע בסביבתה. בנוסף, מלבד הרעש שנובע מאינטרקציה ספינורית, מתווסף הרעש החשמלי הנובע מתנועת זרם חלשה בעקבות קפיצת אלקטרונים בין מולקולות הפחמן. העבודה עוד מרובה, אך נדמה שתחום של מולקולות ספינוריות מאיץ, מרחיב אופקים ופותח אפשרויות חדשות לטכנולוגיות קוונטיות.

הכתבה מבוססת על המאמר הבא מאת הפיזיקאי Deepak Venkateshvaran

עוד בנושא באתר הידען:

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

2 תגובות

  1. שלום גדי,
    בכל טקסט המסביר תופעה מדעית אנחנו נדרשים לפישוט כלשהו. כל תופעה מחביאה בתוכה רעיונות רבים, השאלה לאיזו רמת דיוק אתה נדרש בהסברים. לעיתים אנחנו נדרשים להסברים הפשוטים כדי להעביר את המסר המרכזי. אין סיבה שנשתמש בחוקי הכבידה של איינשטיין ועיקום מרחב הזמן כדי להסביר למה התפוח נופל לקרקע. זאת למרות שחוקי ניוטון מחסירים רעיונות עמוקים וחשובים על האופן בו כח הכבידה מתנהג. באותו האופן, אין סיבה לציין שהספין הוא תכונה חלקיקית המגיבה לשדה מגנטי. האנלוג לסיבוב מגיע באמת מהכח האלקטרומגנטי. כשאלקטרון למשל נע בתנועה מעגלית (במסלול מעגלי שלא סביב עצמו) השדה המגנטי יכול לשנות את מישור הסיבוב שלו, או במילים אחרות את כיוון הסיבוב. באותו האופן, קיימת תכונה פנימית לחלקיקים יסודיים שאם ימצאו בסביבה עם שדה מגנטי, הם יגיבו בצורה זהה וישנו את ערכו של הספין כאילו הוא היה מצביע על כיוון הסיבוב העצמי של החלקיק. זה נכון שהחלקיק לא באמת מסתובב בעצמו, אבל התגובה לשדה המגנטי זהה לאנלוג הקלאסי. זהו אלמנט טכני מידי שלא תמיד נחוץ כדי להעביר את המסר. אם היה לך חסרה הידיעה הזו אפשר תמיד לשאול בנעימים. כל טוב ותמשיך להסתקרן

  2. "לחלקיק תכונה קוונטית הנקראת ספין ובמילים פשוטות היא מתארת את הכיוון שבו החלקיק מסתובב סביב עצמו"

    בלבלת אותי! בכל הסבר על מנה האטום, כשמגיעים ל-SPIN טורחים לציין שלא מדובר בסיבוב של האטום או בכיוון שבו האלקטרונים מסתובבים סביבו.

    לדוגמה, מתוך אתר מכון דוידסון (השייך למכון ויצמן)"
    "ראשית כל, אתה צודק שהספין אינו "ספין אמיתי" כפי שקראת לו, ואינו קשור לסיבוב של החלקיק סביב עצמו."
    https://davidson.weizmann.ac.il/online/askexpert/physics/%D7%9E%D7%94%D7%95-%D7%94%D7%A1%D7%A4%D7%99%D7%9F-%D7%A9%D7%9C-%D7%94%D7%90%D7%9C%D7%A7%D7%98%D7%A8%D7%95%D7%9F-%D7%AA%D7%95%D7%9D

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן