טכנולוגיית הסימולטור הקוונטי הולכת ומבשילה. מדעני חברת הייטק הצליחו כעת לדמות באמצעותה את אחד המודלים המרכזיים בתחום הפיזיקה של החומרים – צעד עם פוטנציאל מדעי וכלכלי מרחיק לכת
פיזיקאים השתמשו בסימולטור קוונטי לצורך הדמיה של מודל פרמי-האברד – אחד המודלים המרכזיים בתחום הפיזיקה של חומרים. התקווה היא שההדמיה הזאת ודומותיה יעזרו לפתח חומרים חדשים עם תכונות מיוחדות, כמו מוליכי-על שנשארים יציבים גם בטמפרטורות גבוהות בהרבה ממה שמתאפשר כעת, ואולי אף בטמפרטורת החדר, או נוזלי ספין.
מודלים ומציאות
חומרים בטבע מורכבים מכמות עצומה של אטומים ושל אלקטרונים הנעים ביניהם. כדי לקבוע בדיוק מלא מה קורה בכל חומר, נצטרך להביא בחשבון את האינטראקציות בין כל זוג אטומים או אלקטרונים ובין כל אטום לכל אלקטרון. לזה נצטרך להוסיף כל הפרעה חיצונית קטנה או גדולה, כמו שדה מגנטי שמופעל על החומר, ולעקוב אחרי ההשתנות של כל אחד מהגדלים הללו לאורך זמן. זוהי משימה בלתי אפשרית – חישובים כאלו יימשכו הרבה יותר זמן מגיל היקום, יסרבלו את פעילותו של כל מחשב עד כדי חוסר תפקוד, והפענוח שלהם יהיה מורכב מדי להבנה האנושית.
במקום זה מדענים משתמשים במודלים – תיאור של המערכת באמצעות פישוט של כל הגדלים בה. למשל מודל עשוי להשמיט אפקטים חלשים, כמו אינטראקציות בין חלקיקים רחוקים או התנועה האיטית מאוד המאפיינת אטומים כבדים. כמו כן הוא עשוי לפשט את תיאור האינטראקציות בין החלקיקים ולאמץ הנחות סבירות, למשל שהצורה שבה אטומים מאורגנים זה ביחס לזה נשארת זהה בכל מקום בתוך החומר. בדרך כלל קירובים כאלה מוכיחים את עצמם ומתארים היטב את התנהגות החומרים.
מודל פרמי-האברד (Fermi-Hubbard) הוא למעשה משפחה של מודלים שמתארים אלקטרונים הנעים בחומר הבנוי כסריג, כלומר סוג של רשת אחידה. אחד מהמשתנים (פרמטרים) במודל מתאר את האינטראקציה בין כל זוג אלקטרונים, ואחד אחר מתאר את האנרגיה הקינטית (אנרגיית התנועה) של האלקטרונים. אפשר להוסיף עוד משתנים שיתארו תכונות נוספות של החומר. שינוי שלהם משנה את התנהגות האלקטרונים במודל, ולכן את התוצאות שנראה בחומר. למשל בפרמטרים מסוימים נצפה לקבל חומר שהוא מוליך-על, כלומר מעביר אלקטרונים ואנרגיה ללא התנגדות. מאחר שאלקטרונים הם חלקיקים קטנים וקלים, המודל מתאר את התנהגות החומר באמצעות מכניקת הקוונטים, שמתארת היטב תופעות שמתרחשות בקנה מידה זערורי.
גם אחרי ההפשטה המשמעותית הנעשית בתיאור החומר כמודל, עדיין קשה מאוד להבין את התנהגות החומר. המודל מתאר את התכונות המיקרוסקופיות של החומר, כלומר איך כל חלקיק נע או "מדבר" עם חברו, אבל בסופו של דבר אנחנו מעוניינים בתכונות מקרוסקופיות של החומר, כלומר לדעת אילו תכונות שאפשר למדוד במעבדה יהיו לחומר כולו, המכיל מספר עצום של חלקיקים. תכונות כאלה יכולות למשל להיות הולכת חשמל או חום, או יציבות החומר תחת לחץ או שדה מגנטי.
מדענים משקיעים מאמץ רב להבין את ההתנהגות של מודל פרמי-האברד בטווחים שונים של פרמטרים. עקב חשיבותו, ההשקעה בחקר המודל והתשואה הכוללת הצפויה מהבנה שלו מוערכות במיליארדי דולרים. הבנת ההתנהגות של המודל עם כל מיני פרמטרים תאפשר לעצב חומרים שיתנהגו כרצוננו, והיכולת הזאת שווה הרבה זמן וכסף למדע ולתעשיית החומרים.
חומר המעביר אלקטרונים ואנרגיה ללא התנגדות. מודל של סריג מוליך-על המורכב מאיטריום, בריום, נחושת וחמצן | Paul Kent, National Center For Computational Sciences, Ornl / Science Photo Library
הדמיה של מודלים פיזיקליים
דרך טובה להבין איך יתנהג החומר היא לדמות את ההתנהגות שלו באמצעות מחשב. במקום לחשב בעצמנו או לבצע ניחושים מושכלים, נוכל לבקש ממחשב לבדוק באילו דרכים החומר נוטה להסתדר ואיך התנהגות האלקטרונים משתנה בו לאורך זמן. כשההדמיה מסתיימת אנו יכולים להשתמש בנתונים שהתקבלו ממנה כדי לחשב את התכונות שמעניינות אותנו.
הבעיה היא שהדמיה כזאת, אפילו על כמות חומר זעירה שמוגבלת לכמה עשרות אלקטרונים, דורשת כוח חישוב ענקי. מערכות קוונטיות, כמו האלקטרונים במודל, יכולות להימצא במצב שנקרא סופרפוזיציה – מצב שבו אין למערכת ערך מוגדר אחד, אלא כמה ערכים אפשריים בהסתברות מסוימת שמתקיימים זה בצד זה. הדמיה של המערכת תצטרך לתאר מצבים מורכבים כאלה, שגדלים באופן מעריכי. כמות הזיכרון הדרושה להדמיה כזאת מוכפלת פי שניים עם כל אלקטרון שנוסף למודל, ומהר מאוד היא נהיית גדולה מדי ולא מאפשרת חישוב מעשי.
לבעיה הזאת יש פתרון מעניין – הדמיה באמצעות מחשב קוונטי, או למעשה מכשיר הדמיה קצת יותר פשוט שנקרא סימולטור קוונטי. הסימולטור הקוונטי יכול להיות בעצמו בסופרפוזיציה, כלומר מצב מעורב כמו המערכת שהוא מדמה, ולכן הוא יכול לדמות אותה בקלות רבה הרבה יותר.
סימולטור קוונטי במכון מקס פלאנק לאופטיקה קוונטית בגרמניה | Christian Lunig / Science Photo Library
סימולטור קוונטי מעשי
טכנולוגיית ההדמיה הקוונטית נמצאת עדיין בחיתוליה. לכן אף על פי שהמערכת שאותה מדמים בעזרת סימולטור קוונטי נמצאת בסופרפוזיציה, קשה מאוד לשלוט בה, להגדיל אותה או ליצור לה תנאים שימנעו רעש ושגיאות. ככל שהטכנולוגיה מתפתחת, השימושים האפשריים שלה מתרבים. כך גם הפעם. בחברת הטכנולוגיה Quantinuum, המתמחה בסימולטורים קוונטיים, דיווחו לאחרונה שהם הצליחו לבצע הדמיה מוצלחת ראשונה של מודל פרמי-האברד באמצעות סימולטור קוונטי. ההדמיה משלבת טכנולוגיה מתקדמת ויציבה, בצד תיאור מתוחכם של המודל כך שיתאים למכשיר ההדמיה שבו משתמשים.
ההדמיה הראשונה הזאת נעשתה על מערכת קטנה מאוד, של סריג רבוע עם 36 אתרים שהאלקטרונים יכולים לנוע על פניהם. אף שמדובר עדיין במערכת זעירה, כבר עכשיו היא גדולה בערך כפליים ממה שאפשר לייצג במחשבים רגילים, ואפשר לחזות בה בתופעות שצפויות להופיע גם במערכות גדולות יותר. קצב ההתקדמות המהיר של פיתוח טכנולוגיית ההדמיה הקוונטית מאפשר להעריך, באופטימיות זהירה, שבעתיד נוכל לדמות מערכות גדולות יותר ובעלות טווח פרמטרים רחב. כך נוכל להבין את התנהגות המודל, ומתוכו נוכל לחזות את התנהגותם של חומרים רבים ומעניינים.
