חישוביות קוונטית הינה תחום המבטיח לנו התקנים אשר יהיו מסוגלים לבצע משימות מסוימות, כגון פירוק של מספרים לגורמים ראשוניים (פעולה הפורצת הצפנות), או חיפוש במבני נתונים, ביעילות רבה יותר מכל מחשב קלאסי. כל מחשב המוכר לנו כיום הינו מחשב קלאסי, כלומר מחשב אשר ההתקנים הבסיסיים שלו (שערים לוגיים, זכרון) אינם מתבססים על תכונות קוונטיות כלשהן, ויחידת האינפורמציה הבסיסית שלו הינה הביט (Bit), המכיל 0 או 1. המחשב הקוונטי יהיה מבוסס על הקיו-ביט (Qubit), או "הביט הקוונטי", שהוא יחידת אינפורמציה המכילה כל מצב שהוא סופר-פוזיציה (Superposition), או שילוב קוונטי של 0 ו-1.

למרות שניכרת התקדמות רבה בתחום, עדיין אין כל הסכמה בין החוקרים מה צריכה להיות הטכנולוגיה עליה יבוסס המחשב הקוונטי. ההתקדמות עד היום התבצעה בשני תחומים עיקריים: התקנים מבוססי פיסיקה של אופטיקה אטומית (AMO - Atomic & Molecular Optics) והתקנים מבוססי מצב מוצק (CM - Condensed Matter). התקני AMOהמממשים קיו-ביטים הינם בדרך כלל עננים של אטומים או יונים הכלואים במלכודת מגנטו-אופטית, כאשר האינטראקציה איתם הינה מבוססת על לייזרים. התקני מצב מוצק הינם מבוססים למשל על נקודות קוונטיות (Quantum Dots), שהן מעין אטומים מלאכותיים המתקיימים בין שכבות של חצאי-מוליכים או גבישים ננו-סקופיים.

התכונות הנדרשות מהתקן חישובי קוונטי הן: (1) "הגנה" על פונקצית-הגל (האינפורמציה בתוך הקיו-ביט) מהסביבה (2) יכולת קריאה, כתיבה ופעולות קיו-לוגיות (מעין הכללה של שערים לוגיים עם תורת הקוונטים)ו-(3) יכולת גדילה (Scalability) של המעגל, כלומר, שיהיה ניתן בקלות יחסית לשלב מספר רב של קיו-ביטים שיפעלו זה עם זה. מתברר, שההתקנים בתחום ה-AMOהינם מאד מוצלחים ביחס לתכונה (1) , אולם חלשים מאד ביחס לתכונה (3): האטומים הינם מוגנים היטב מן הסביבה, אולם קשה לקשר ביניהם ולבנות מעגלים של מספר קיו-ביטים. לעומתם, התקנים מבוססי CMהינם מאד מוצלחים מבחינת היכולת לשלב התקנים יחדיו, ועשויים להתבסס על תעשייה שלמה הקיימת כבר היום, אולם השפעת הסביבה על הקיו-ביטים הינה חזקה מאד והם מצליחים לשרוד זמן מועט.

לאחרונה, הציעה קבוצת חוקרים ממספר אוניברסיטאות (ראו מקור בתחתית הדף) פתרון משולב, המגשר על הפערים בין AMOל-CM, על ידי שילובם במעגל אחד. ההצעה (ראו תמונה) מבוססת על קיו-ביטים שהינם מולקולות פולאריות (כלומר, מולקולות בעלות קוטביות חשמלית), אשר ניתן "לכלוא" במלכודות אלקטרוסטטיות קטנות, המופיעות בתמונה כקעריות הנושאות כל אחת מעין אליפסה. המולקולות תהיינה מבודדות במידה רבה מרעשי הסביבה, והמצבים הקוונטיים הסיבוביים שלהן ישמשו כנושאי האינפורמציה. ניתן לבצע מניפולציות על מצבים אלה באמצעות קרינת מיקרו-גל. קרינה זו ניתנת להעברה מבוקרת באמצעות רצועות של חומר מוליך-על (הרצועות מופיעות כפסים ברקע התמונה). כך תתבצע התקשורת בין הקיו-ביטים השונים. במאמר החדש מציעים החוקרים חבילה שלמה של פתרונות לבעיות המוכרות מן התחום, החל מטכניקות לקירור המולקולות (כדי שלא יאבדו את האינפורמציה המקודדת בהן), וכלה בשיטת שבהן קיו-ביטים מרוחקים יתקשרו ביניהם על-גבי רצועות העל-מוליך.

 

בבליוגרפיה

[1] R. Cote, Bridge between two lengthscales, Nature Physics 2, 583 (2006).
[2] Andre A. et. al., A coherent all-electrical interface between polar molecules and mesoscopic superconducting resonators, Nature Physics 2, 636 (2006).

 

מאת: ערן גנוסר
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.