אינטל בוחנת “ספין קיוביטס” מסיליקון למימוש של מחשוב קוונטי

אינטל היא מהחברות הראשונות הבוחנות דרכים למימוש הפוטנציאל של קיוביטים מבוססי ספין בסיליקון במחשוב קוואנטי. החברה טוענת שספין קיוביטים בסיליקון, המנצלים את הספין (סיבוב) של אלקטרון יחיד בהתקן סיליקון בכדי לבצע חישובים קוואנטיים, מציעים מספר יתרונות בהשוואה לעמיתיהם המוכרים יותר, קיוביטים מוליכי על

מחשוב קוואנטי הוא הבשורה הבאה הודות לפוטנציאל הטמון בו להתמודדות עם בעיות אשר המחשבים הקונבנציונליים של ימינו אינם מסוגלים לפתור. מדענים וענפי תעשייה מקווים שהמחשוב קוואנטי יאיץ את ההתקדמות בתחומים כגון כימיה או פיתוח תרופות, מידול פיננסי ואפילו חיזוי אקלימי.

כדי לממש את הפוטנציאל של המחשוב הקוואנטי יזמה אינטל ב-2015 תכנית מחקר משותפת שנועדה לפתח מערכת מחשוב קוואנטי הניתנת לייצור מסחרי.

למרות ההתקדמות הרבה שהושגה, המחקר על מחשוב הקוואנטי עדיין בחיתוליו. ניתן לומר שהתעשייה נמצאת בתחילת המרתון למחשוב הקוואנטי. על מנת לממש את פרדיגמת המחשוב החדשה, יש לפתור הרבה בעיות ולקבל הרבה החלטות ארכיטקטוניות. לדוגמה, עדיין לא ברור מה יהיה המבנה של מעבדים הקוואנטיים. זו הסיבה שאינטל פועלת בשני כיווני מחקר משמעותים עם השקעות זהות בשניהם.

אחת הצורות האפשריות היא של קיוביטים מבוססים על מוליכות-על (super-conducting qubits). אינטל מתקדמת במהירות בפיתוח סוג שבב זה במקביל לגופים אחרים בתעשייה ובאקדמיה הבוחנים כיוון זה. בנוסף, אינטל חוקרת מבנה אלטרנטיבי המבוסס על מומחיותה המהוללת של החברה בייצור טרנזיסטורי סיליקון. ארכיטקטורה חליפית זו קרויה ספין קיוביטים (spin qubits) והיא עשויה לסייע בפתרון כמה מהמשוכות המדעיות המעכבות את הפיכת המחשוב הקוואנטי ממחקר למציאות.

מהו הספין קיוביט?

ספין קיוביטים דומים מאוד לרכיבים האלקטרוניים והטרנזיסטורים המוליכים למחצה כפי שאנו מכירים אותם כיום. הם מספקים את היכולת הקוואנטית שלהם באמצעות ניצול הסיבוב (spin) של אלקטרון יחיד בהתקן סיליקון ושולטים בתנועה על ידי פעימות מיקרוגל זעירות.

אלקטרונים מסוגלים להכיל ספין בכיוונים שונים. כאשר ספין אלקטרון כלפי מעלה, הנתונים מציינים ערך בינארי 1. כאשר ספין האלקטרון כלפי מטה, הנתונים מציינים ערך בינארי 0. ואולם, בדומה לאופן הפעולה של קיוביטים מוליכי על, אלקטרונים אלה עשויים להתקיים גם בסופרפוזיציה. כלומר הסתברות לספין כלפי מעלה וכלפי מטה באותו זמן. בסיבוב כזה יכולים הספין קיוביטים, תיאורטית, לעבד מערכי נתונים עצומים במקביל, הרבה יותר מהר ממחשב קלאסי.

למה לחקור את הספין קיוביטים?

אחד האתגרים שעליהם חייבים החוקרים להתגבר כדי להפוך את המחשוב הקוואנטי למציאות מסחרית הוא אופיים השברירי ביותר של הקיוביטים. כל רעש ואפילו תצפית בלתי מכוונת עלולים לגרום לאובדן נתונים. השבריריות הזו מחייבת שהם יפעלו בטמפרטורות נמוכות ביותר, מה שמציב אתגרים בתכנון החומרים של השבבים עצמם ובאלקטרוניקת הבקרה הדרושה בכדי לאפשר להם לעבוד. קיוביטים מוליכי על הינם גדולים למדי ופועלים במערכות שגודלן כגודל חבית של 209 ליטרים. ממדים אלה מקשים על הרחבת מערכות קוואנטיות למיליוני הקיוביטים הדרושים ליצירת מערכת מסחרית שימושית באמת.

בניגוד לקיוביטים מוליכי העל, הספין קיוביטים מציעים כמה יתרונות להתמודדות עם אתגרים אלה:

הם קטנים וחזקים: ממדיהם הפיזיים של ספין קיוביטים הרבה יותר קטנים וזמן הקוהרנטיות שלהם צפוי להיות ארוך יותר (הזמן שבו הם מסוגלים לשמור את המידע ללא פגע), מאפיין המהווה יתרון לחוקרים השואפים להרחיב את המערכת למיליוני קיוביטים שיידרשו למערכת מסחרית.

הם מסוגלים לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר: ספין קיוביטים מסיליקון מסוגלים לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר מאשר קיוביטים מוליכי על (1 קלווין לעומת 20 אלפיות קלווין). יכולת זאת תצמצם באופן דרסטי את מורכבות המערכת הנדרשת להפעיל את השבבים ותאפשר אינטגרציה של רכיבי בקרה אלקטרוניים הרבה יותר קרובים למעבד. אינטל ושותפתה האקדמית למחקר, QuTech, בוחנות הפעלת ספין קיוביטים בטמפרטורה גבוהה יותר ועד כה השיגו תוצאות מעניינות של עד 1 קלווין (כלומר פי 50 חם יותר) מאשר קיוביטים מוליכי על. צוות המחקר יציג את התוצאות במפגש האגודה האמריקאית לפיזיקה (APS) בחודש מרס.

הידע של אינטל בייצור: תכנון מעבדי ספין קיוביטים דומה מאוד לטכנולוגיות המסורתיות לייצור טרנזיסטורי סיליקון. למרות האתגרים המדעיים וההנדסיים הכרוכים בהרחבת הטכנולוגיה, לאינטל יש את הציוד והתשתית מעשרות שנים של ייצור המוני של טרנזיסטורים.

מה מצב המחקר בספין קיוביטים?

השבוע, בכנס השנתי של האגודה האמריקאית לקידום המדע (AAAS) הציגה QuTech את הצלחתה ביצירת מחשב קוואנטי בעל שני ספין קיוביטים הניתן לתכנות לביצוע שני אלגוריתמים קוואנטיים פשוטים. פיתוח זה סולל את הדרך למעבדים מבוססי ספין קיוביטים גדולים יותר המסוגלים לבצע יישומים מורכבים יותר. לקריאת מאמר נוסף על נושא זה, היכנסו ל-Nature article.

ובנוסף, אינטל פיתחה תהליך ייצור של ספין קיוביטים בטכנולוגיית 300 מ”מ שבו היא משתמשת בפרוסות סיליקון נקי מאיזוטופיים שהופקו במיוחד לייצור שבבי ספין קיוביטים לצורכי בדיקה. הייצור מתבצע באותו מתקן שבו מופעלות טכנולוגיות טרנזיסטורים מתקדמות אחרות של אינטל והחברה החלה בבחינת פרוסות הסיליקון הראשונות. אינטל צופה שתוך מספר חודשים תצליח לייצר מספר גדול של פרוסות סיליקון מדי שבוע, אשר כל אחד מהם מכיל אלפי מערכי קיוביטים קטנים.

במקביל, אינטל ו-QuTech ימשיכו במחקר שלהן בקיוביטים מבוססי ספין ומוליכי על למערכת הקוואנטית שלמה או ה”stack” – מהתקני קיוביטים עד לארכיטקטורות החומרה והתוכנה הדרושות לבקרת ההתקנים וכן יישומים קוואנטיים. כל המרכיבים האלה חיוניים לקידום המחשוב הקוואנטי משלב המחקר למציאות.

תודה לחן טרדונסקי על העזרה בעריכת הכתבה