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

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.

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:

• בינה מלאכותית מבוססת ספינטרוניקה 
• השילוב בין ספינטרוניקה לננוטכנולוגיה יאפשר להחליף את האלקטרוניקה הנוכחית כאשר תגיע לקצה גבול היכולת הפיזית
• חוקרים הצליחו לכתוב זיכרון מגנטי רב -מצבי באמצעות זרמי ספין
• הגבול העליון