כשאור וחומר פועלים כאחד

במאמר שפורסם בכתב העת Science Advances, הדוקטורנט איתמר רוזנברג והצוות בראשותו של פרופסור רונן רפפורט מהמרכז לאינפורמציה קוונטית באוניברסיטה העברית הצליחו לראשונה להגדיל את האינטרקציה בין פולריטונים, דמויי חלקיקים קוונטים המורכבים מאור וחומר יחדיו, ובכך פתחו את האפשרות לשימושם במחשבים קוונטים

המהפכה הטכנולוגית הבאה בעולם המחשוב מגיעה דווקא ממקום לא צפוי – מכניקת הקוונטים. הפיזיקה שמסבירה את התנהגותם של חלקיקים יסודיים עשויה להוליד דור חדש של מחשבים שעתידיים לפתור בעיות שעד כה נחשבו לבלתי אפשריות במחשבים של היום.

מחשבים קוונטיים

כל המידע שאגור ומעובד במחשבים מודרניים נשמר בשרשראות של תווים שערכם  0 או 1 , כאשר כל תו כזה נקרא “ביט”. אותו ביט קיים פיזית בתוך השבבים כזרם חשמלי המורכב מאלקטרונים מרובים. החישבים נעשים דרך מניפולציות על הביטים בעזרת המון “מתגים” פיזיים המכונים טנרנזיסטורים. כאשר מתג כזה דולק ומאפשר לזרם לעבור דרכו הערך של אותו ביט יהיה 1, וכאשר המתג כבוי ואין זרם הביט יקרא 0. לעומתם, המחשבים העתידניים המכונים מחשבים קוונטים לא משתמשים בזרם חשמלי רגיל כביט, אלא בחלקיקים היסודיים של טבע ובכך הם מנצלים את מכניקת הקוונטים לטובתם. השאלה שחוקרים כרגע דנים היא באילו חלקיקים להשתמש כביטים במחשב קוונטי? או קיוביטים בשמם המדעי.

האתגר שבאור

חוקרים כבר הראו שניתן להשתמש באלקטרונים כקיוביטים. בדומה למחשבים ביתיים, תהליך החישוב הקוונטי עושה מניפולציות על הביטים שלו דרך ״טרנזיסטורים קוונטיים״. קל יחסית לעשות מניפולציות בין ביטים אלקטרוניים, כי אלקטרונים הם חלקיקים טעונים שמשפיעים זה על זה ומרגישים כוחות חשמליים ומגנטיים חיצוניים. אבל בדיוק בגלל הרגישות הזאת של האלקטרונים להשפעות סביבתיות לא רצויות, כדי שחלקיקים אלו יבצעו חישובים מדוייקים עליהם להיות מבודדים מהסביבה ולשהות בטמפרטורה נמוכה מאוד. כמו כן קיוביטים אלקטרוניים אינם ניידים וקשה להעביר את האיפורמציה שהם נושאים למרחק. מגבלות אלו הובילו את החוקרים לחשוב על חלקיקים אחרים שעשויים לשמש כקיוביטים ניידים. משום שלפיזיקאים ניסיון עשיר עם חלקיקי אור (פוטונים) הדבר המתבקש היה לראות האם הם מועמדים מתאימים, אך גם איתם קיימת בעיה. בעוד שחלקיקי האור נעים מהר ורחוק וכך נושאים אינפורמציה קוונטית ביעילות, הם לא משפיעים אחד על השני ולכן קשה מאוד לבצע עליהם מניפולציות ולבנות טרנזיסורים קוונטיים לפוטונים, כדי לערוך איתם חישובים.

כשאור וחומר פועלים יחדיו

נראה לכן שלחלקיקי חומר וחלקיקי אור יש יתרונות משלימים. אם חוקרים יצליחו לתת לאור תכונות של חומר אולי הם יהיו קיוביטים מועמדים ״שיהנו משני העולמות״. במעבדה של פרופסור רונן רפפורט מייצרים ממש מצב שכזה. אם מאירים אור על חומרים מסוימים הנקראים מוליכים למחצה אפשר ליצור בתוכם מצב דמוי חלקיקי הנקרא “פולריטון” שנמצא בשני המצבים – חלקיק אלקטרוני (חלקיק חומר) וחלקיק פוטוני (חלקיק אור). אם החלקיק יהיה קיוביט בצ’יפ קוונטי הוא צריך להשפיע אחד על השני מספיק כדי לשנות את התכונות של כל פולריטון.

עד כה ניסויים על פולריטונים הראו שהאינטרקציה בינם לא מספיק חזקה, אך לראשונה במעבדתו של פרופ’ רפפורט מהמרכז לאינפורמציה קוונטית באוניברסיטה העברית הראו שאם מפעילים עליהם שדות חשמליים האינטרקציה גדלה, כך שיתכן שמחשב קוונטי עתידי יוכל לערוך באמצעותם חישובים. משום שהפעלת שדה חשמלי משפיעה על עוצמת האינטרקציה שיטה זו  נחשבת כיעילה ודינאמית – חוקרים יכולים לכייל את העוצמה ולכבות אותה בכל זמן במקום שיבחרו וזאת בהתאם לדרישתם.

פרופ’ רונן רפפורט הוא ראש החוג במכון רקח לפיזיקה ושותף במרכז לאינפרומציה קוונטית באוניברסיטה העברית.

לעמוד של פרופ’ רונן רפפורט

לעמוד של “המרכז לאינפורמציה קוונטית”

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

לראשונה בוצעה הדמיה של מולקולה בעזרת מחשב קוונטי 

צוות ישראלי-בינלאומי מפתח מחשב קוונטי במימון קרן QuantERA

ההיסטוריה של תחום מדעי המידע הקוונטי