הקווביטים הטובים ביותר עבור מחשוב קוונטי עשויים להיות רק אטומים | מגזין קוונטה

בסוף השנה שעברה הכריזה ענקית הטכנולוגיה יבמ על מה שעשוי להישמע כמו אבן דרך במחשוב קוונטי: השבב הראשון אי פעם, שנקרא קונדור, עם יותר מ-1,000 סיביות קוונטיות, או קיוביטים. בהתחשב בכך שזה היה בקושי שנתיים לאחר שהחברה חשפה את האיגל, השבב הראשון עם יותר מ-100 קיוביטים, נראה היה שהתחום דוהר קדימה. יצירת מחשבים קוונטיים שיכולים לפתור בעיות שימושיות מעבר להיקף אפילו של מחשבי העל הקלאסיים האדירים של ימינו דורשת להגדיל אותם אפילו יותר - אולי לעשרות רבות או מאות אלפי קיוביטים. אבל זה בוודאי רק עניין של הנדסה, נכון?

לא בהכרח. האתגרים של הגדלה הם כה גדולים, עד שכמה חוקרים חושבים שזה ידרוש חומרה שונה לחלוטין מהמיקרו-אלקטרוניקה המשמשת אנשים כמו יבמ וגוגל. הקיוביטים בקונדור ובשבב השקמה של גוגל עשויים מלולאות של חומר מוליך-על. הקיוביטים המוליכים האלה היו עד כה הארנבת במירוץ למחשוב קוונטי בקנה מידה מלא. אבל עכשיו יש צב שמגיע מאחור: קיוביטים עשויים מאטומים בודדים.

ההתקדמות האחרונה הפכה את "הקיוביטים הנייטרליים של האטום" הללו מזרים למתמודדים מובילים.

"בשנתיים-שלוש האחרונות נרשמו התקדמות מהירה יותר מכל תקופה קודמת שכזו", אמר הפיזיקאי מארק ספמן מאוניברסיטת ויסקונסין, מדיסון, שספר לפחות חמש חברות שמתמודדות על מסחור מחשוב קוונטי אטומי ניטרלי.

כמו הביטים במחשבים רגילים, קיוביטים מקודדים מידע בינארי - 1 ו-0. אבל בעוד שביט נמצא תמיד במצב כזה או אחר, ניתן להשאיר את המידע בקיוביט בלתי מוגדר, במה שנקרא "סופרפוזיציה" שנותנת משקל לשתי האפשרויות. כדי לבצע חישוב, קיוביטים מקושרים באמצעות התופעה הנקראת הסתבכות קוונטית, מה שהופך את המצבים האפשריים שלהם לתלויים זה בזה. אלגוריתם קוונטי מסוים עשוי לדרוש רצף של הסתבכויות בין קבוצות שונות של קיוביטים, והתשובה נקראת בסוף החישוב כאשר מתבצעת מדידה, ומכווץ כל סופרפוזיציה עד ל-1 או 0 מוגדרים.

הרעיון להשתמש במצבים הקוונטיים של אטומים ניטרליים לקידוד מידע כך היה מוּצָע בתחילת שנות ה-2000 על ידי הפיזיקאי של הרווארד מיכאיל לוקין ועמיתים, ו גם על ידי קבוצה בראשות איוון דויטש של אוניברסיטת ניו מקסיקו. במשך זמן רב, קהילת המחקר הרחבה יותר הסכימה שמחשוב קוונטי באטום ניטרלי הוא רעיון מצוין באופן עקרוני, אמר לוקין, אבל ש"זה פשוט לא מסתדר" בפועל.

"אבל 20 שנה מאוחר יותר, הגישות האחרות לא סגרו את העסקה", אמר ספמן. "ומערכת המיומנויות והטכניקות הדרושות כדי לגרום לאטומים ניטרליים לעבוד התפתחו בהדרגה עד לנקודה שבה הם נראים מאוד מבטיחים."

המעבדה של לוקין בהרווארד הייתה בין המובילות. בדצמבר, הוא ועמיתיו דיווח שהם יצרו מעגלים קוונטיים ניתנים לתכנות עם מאות קיוביטים אטומים ניטרליים וביצעו איתם חישובים קוונטיים ותיקון שגיאות. והחודש, צוות במכון הטכנולוגי של קליפורניה דיווח שהם יצרו מערך של 6,100 קיוביטים אטומיים. תוצאות כאלה זוכות יותר ויותר מתגיירים לגישה זו.

"לפני עשר שנים לא הייתי כולל את השיטות הללו [אטום נייטרלי] אילו הייתי מגדר הימורים על עתיד המחשוב הקוונטי", אמר אנדרו סטין, תיאורטיקן מידע קוונטי באוניברסיטת אוקספורד. "זו הייתה טעות."

קרב קוביטס

סוגיית מפתח בתחרות בין סוגי קיוביט היא כמה זמן כל סוג של קיוביט יכול לשמור על הסופרפוזיציה שלו לפני שהוא משתנה על ידי תנודה אקראית כלשהי (לדוגמה, תרמית). עבור קיוביטים מוליכים-על כמו של IBM ו-Google, "זמן הקוהרנטיות" הזה הוא בדרך כלל בסביבות אלפית השנייה במקרה הטוב. כל השלבים של חישוב קוונטי חייבים להתרחש בתוך מסגרת זמן זו.

יתרון אחד של קידוד מידע במצבים של אטומים בודדים הוא שזמני הקוהרנטיות שלהם בדרך כלל ארוכים בהרבה. יתרה מכך, בניגוד למעגלים מוליכים-על, אטומים מסוג נתון כולם זהים, כך שאין צורך במערכות בקרה מותאמות כדי להזין ולתפעל באופן עדין מצבי קוונטיים שונים.

ובעוד שהחיווט המשמש לחיבור קיוביטים מוליכים-על למעגלים קוונטיים עלול להסתבך להחריד - יותר מכך ככל שהמערכת מתרחבת - אין צורך בחיווט במקרה של אטומים. כל ההסתבכות מתבצעת באמצעות אור לייזר.

הטבה זו הציגה בתחילה אתגר. קיימת טכנולוגיה מפותחת לחיתוך מעגלים וחוטים מיקרואלקטרוניים מסובכים, ואחת הסיבות הסבירה לכך ש-IBM וגוגל השקיעו בתחילה בקיוביטים מוליכים-על היא לא משום שאלה היו ללא ספק הטובים ביותר, אלא משום שהם דרשו את סוג המעגלים אליו רגילות חברות כאלה. סטיוארט אדמס, פיזיקאי באוניברסיטת דורהאם בבריטניה שעובד על מחשוב קוונטי נייטרלי-אטום. "אופטיקת אטום מבוססת לייזר נראתה להם לא מוכרת לחלוטין. כל ההנדסה שונה לגמרי".

ניתן לשלוט על קוויביטים העשויים מאטומים טעונים חשמלית - הידועים בשם יונים - גם באמצעות אור, ויונים נחשבו זמן רב כמועמדים לקיוביט טובים יותר מאשר אטומים ניטרליים. בגלל המטען שלהם, קל יחסית ללכוד יונים בשדות חשמליים. חוקרים יצרו מלכודות יונים על ידי השעיית היונים בחלל ואקום זעיר בטמפרטורות נמוכות במיוחד (כדי למנוע תנודות תרמיות) בעוד קרני לייזר מעבירות אותם בין מצבי אנרגיה שונים כדי לתמרן את המידע. כעת הוכחו מחשבים קוונטיים מלכודת יונים עם עשרות קיוביטים, וכמה סטארטאפים מפתחים את הטכנולוגיה למסחור. "עד כה, המערכת עם הביצועים הגבוהים ביותר מבחינת נאמנות, שליטה וקוהרנטיות נלכדה ביונים", אמר ספמן.

לכידת אטומים ניטרליים קשה יותר כי אין מטען להחזיק בו. במקום זאת, האטומים משותקים בתוך שדות של אור עז שנוצרו על ידי קרני לייזר, הנקראות פינצטה אופטית. האטומים בדרך כלל מעדיפים לשבת במקום שבו שדה האור האינטנסיבי ביותר.

ויש בעיה עם יונים: לכולם יש מטען חשמלי מאותו סימן. זה אומר שהקיוביטים דוחים אחד את השני. החסימה של הרבה מהם לאותו חלל קטן נעשית קשה יותר ככל שיש יותר יונים. עם אטומים ניטרליים, אין מתח כזה. זה, אומרים החוקרים, הופך את הקיוביטים הנייטרליים להרבה יותר ניתנים להרחבה.

יתרה מכך, יונים לכודים מסודרים בשורה (או, לאחרונה, לולאה "מסלול מרוץ”). תצורה זו מקשה על הסתבכות של קיוביט יונים אחד עם אחר, כלומר 20 מקומות לאורך השורה. "מלכדות יונים הן חד-ממדיות מטבען", אמר אדמס. "אתה צריך לסדר אותם בשורה, וקשה מאוד לראות איך אתה מגיע לאלף קיוביטים ככה."

מערכי אטומים ניטרליים יכולים להיות רשת דו-ממדית, שהרבה יותר קל להגדיל אותה. "אתה יכול לשים הרבה באותה מערכת, והם לא מקיימים אינטראקציה כשאתה לא רוצה שיעשו זאת", אמר ספמן. הקבוצה שלו ואחרים לכדו יותר מ-1,000 אטומים ניטרליים בדרך זו. "אנחנו מאמינים שאנחנו יכולים לארוז עשרות או אפילו מאות אלפים במכשיר בקנה מידה של סנטימטר", אמר.

ואכן, בעבודתם האחרונה, הצוות ב-Caltech יצר מערך פינצטה אופטי של כ-6,100 אטומי צסיום ניטרליים, למרות שהם עדיין לא ביצעו איתם חישובים קוונטיים. לקיוביטים הללו היו גם זמני קוהרנטיות של 12.6 שניות עצומות, שיא עד כה עבור סוג הקיוביט הזה.

המצור של רידברג

כדי ששני קיוביטים או יותר יסתבכו, הם צריכים ליצור אינטראקציה זה עם זה. אטומים ניטרליים "מרגישים" זה את נוכחותו של זה באמצעות מה שנקרא כוחות ואן דר ואלס, הנובעים מהאופן שבו אטום אחד מגיב לתנודות בענן האלקטרונים באטום אחר בקרבת מקום. אבל הכוחות החלשים האלה מורגשים רק כאשר האטומים קרובים מאוד זה לזה. פשוט לא ניתן לבצע מניפולציה של אטומים נורמליים בדיוק הנדרש באמצעות שדות אור.

כפי שציינו לוקין ועמיתיו בהצעתם המקורית בשנת 2000, ניתן להגדיל את מרחק האינטראקציה באופן דרמטי אם נגדיל את גודל האטומים עצמם. ככל שלאלקטרון יש יותר אנרגיה, כך הוא נוטה לנדוד מגרעין האטום. אם משתמשים בלייזר כדי לשאוב אלקטרון למצב אנרגיה גדול בהרבה מאלה שנמצאים בדרך כלל באטומים - הנקרא מצב רידברג על שם הפיזיקאי השבדי יוהנס רידברג, שבשנות ה-1880 חקר את האופן שבו אטומים פולטים אור באורכי גל נפרדים - האלקטרון יכול לנדוד אלפי פעמים רחוק יותר מהגרעין מהרגיל.

גידול זה בגודל מאפשר לשני אטומים המוחזקים במרחק של כמה מיקרומטרים זה מזה - אפשרי לחלוטין במלכודות אופטיות - לקיים אינטראקציה.

כדי ליישם אלגוריתם קוונטי, החוקרים מקודדים תחילה מידע קוונטי בזוג רמות אנרגיה אטומית, תוך שימוש בלייזרים כדי להחליף אלקטרונים בין הרמות. לאחר מכן הם מסבכים את מצבי האטומים על ידי הפעלת האינטראקציות של רידברג ביניהם. אטום נתון עשוי להיות נרגש למצב רידברג או לא, תלוי באיזו משתי רמות האנרגיה האלקטרון שלו נמצא - רק אחד מהם יושב באנרגיה הנכונה להדהד עם התדר של לייזר העירור. ואם האטום נמצא כעת באינטראקציה עם אחר, תדר העירור הזה משתנה מעט כך שהאלקטרון לא יהדהד עם האור ולא יוכל לבצע את הקפיצה. זה אומר שרק אחד או אחר מצמד אטומים המקיימים אינטראקציה יכולים לקיים מצב של רידברג בכל רגע; המצבים הקוונטיים שלהם מתואמים - או במילים אחרות, מסובכים. מה שנקרא מצור רידברג הזה, קודם כל מוּצָע על ידי לוקין ועמיתיו ב-2001 כדרך להסתבך בין קיוביטים של אטום רידברג, הוא אפקט של הכל או כלום: או שיש מצור של רידברג או שאין. "החסימה של רידברג הופכת אינטראקציות בין אטומים לדיגיטליות", אמר לוקין.

בסוף החישוב, הלייזרים קוראים את מצבי האטומים: אם אטום נמצא במצב המהדהד עם התאורה, האור מתפזר, אבל אם הוא במצב השני, אין פיזור.

בשנת 2004, צוות באוניברסיטת קונטיקט מופגן חסימת רידברג בין אטומי רובידיום, כלואים ומקוררים ל-100 מיקרוקלווין בלבד מעל האפס המוחלט. הם קיררו את האטומים באמצעות לייזרים כדי "לשאוב החוצה" את האנרגיה התרמית של האטומים. משמעות הגישה היא שבניגוד לקיוביטים מוליכים-על, אטומים ניטרליים אינם דורשים קירור קריוגני וללא חומרי קירור מסורבלים. לכן ניתן להפוך את המערכות הללו לקומפקטיות מאוד. "המכשיר בכללותו נמצא בטמפרטורת החדר," אמר ספמן. "מרחק סנטימטר אחד מהאטומים הסופר קרים האלה, יש לך חלון בטמפרטורת החדר."

בשנת 2010 ספמן ועמיתיו לעבודה דיווח השער הלוגי הראשון - מרכיב בסיסי של מחשבים, שבו אות כניסה בינארי אחד או יותר מייצרים פלט בינארי מסוים - העשוי משני אטומים באמצעות חסימת רידברג. ואז, באופן מכריע, בשנת 2016, הצוות וקבוצות המחקר של לוקין בצרפת ובדרום קוריאה כולם באופן עצמאי להבין איך להעמיס אטומים ניטרליים רבים לתוך מערכים של מלכודות אופטיות ולהזיז אותם לפי רצונו. "החידוש הזה הביא חיים חדשים לתחום", אמר סטפן דיר ממכון מקס פלנק לאופטיקה קוונטית ב-Garching, גרמניה, המשתמש באטומי Rydberg לניסויים בעיבוד מידע קוונטי מבוסס אור.

רוב העבודה עד כה משתמשת באטומי רובידיום וצסיום, אבל הפיזיקאי ג'ף תומפסון באוניברסיטת פרינסטון מעדיפים קידוד המידע במצבי הספין הגרעיני של אטומי מתכת כמו סטרונציום ואיטרביום, שיש להם זמני קוהרנטיות ארוכים אף יותר. באוקטובר האחרון, תומפסון ועמיתיו דיווח שערים לוגיים שני קיוביטים עשויים ממערכות אלו.

וחסימות רידברג לא חייבות להיות בין אטומים בודדים. בקיץ שעבר, אדמס ועמיתיו לעבודה הראה שהם יכלו ליצור מצור רידברג בין אטום למולקולה כלואה, שאותה הם יצרו באופן מלאכותי על ידי שימוש בפינצטה אופטית כדי למשוך אטום צזיום ליד אטום רובידיום. היתרון של מערכות אטום-מולקולות היברידיות הוא שלאטומים ולמולקולות יש אנרגיות שונות מאוד, מה שיכול להקל על מניפולציה אחת מבלי להשפיע על אחרים. יתרה מכך, לקיוביטים מולקולריים יכולים להיות זמני קוהרנטיות ארוכים מאוד. אדמס מדגיש שמערכות היברידיות כאלה נמצאות לפחות 10 שנים מאחורי מערכות הכל-אטום, וטרם הושגה הסתבכות של שני קיוביטים כאלה. "מערכות היברידיות הן ממש קשות", אמר תומפסון, "אבל כנראה ניאלץ לעשות אותן בשלב מסוים".

High Fidelity Qubits

אף קיוביט אינו מושלם: כולם עלולים לגרום לשגיאות. ואם אלה לא מזוהים ולא מתוקנים, הם מערבבים את תוצאת החישוב.

אבל מכשול גדול לכל מחשוב קוונטי הוא שלא ניתן לזהות ולתקן שגיאות כפי שהן עבור מחשבים קלאסיים, שבהם אלגוריתם פשוט עוקב אחר המצבים שבהם נמצאים הביטים על ידי יצירת עותקים. המפתח למחשוב קוונטי הוא שמצבי הקיוביטים נותרים בלתי מוגדרים עד לקריאת התוצאה הסופית. אם אתה מנסה למדוד את המצבים האלה לפני נקודה זו, אתה מסיים את החישוב. כיצד, אם כן, ניתן להגן על קיוביטים מפני שגיאות שאנו אפילו לא יכולים לנטר?

תשובה אחת היא לפזר מידע על פני קיוביטים פיזיים רבים - המהווים "קיוביט לוגי" בודד - כך ששגיאה באחד מהם לא תשחית את המידע שהם מקודדים ביחד. זה הופך למעשי רק אם מספר הקיוביטים הפיזיים הדרושים לכל קיוביט לוגי אינו גדול מדי. תקורה זו תלויה בחלקה באיזה אלגוריתם מתקן שגיאות נעשה שימוש.

קיוביטים לוגיים מתוקנים עם שגיאות הוכחו עם קיוביטים מוליכים-על ו-לכודים של יונים, אך עד לאחרונה לא היה ברור אם ניתן ליצור אותם מאטומים ניטרליים. זה השתנה בדצמבר, כאשר צוות הרווארד חשף מערכים של כמה מאות אטומי רובידיום לכודים והפעיל אלגוריתמים על 48 קיוביטים לוגיים, שכל אחד מהם עשוי משבעה או שמונה אטומים פיזיקליים. החוקרים השתמשו במערכת כדי לבצע פעולה לוגית פשוטה הנקראת שער NOT מבוקר, שבה מצבי 1 ו-0 של קיוביט מתהפכים או נותרים ללא שינוי בהתאם למצב של קיוביט "שליטה" שני. כדי לבצע את החישובים, החוקרים העבירו את האטומים בין שלושה אזורים נפרדים בתא הלכידה: מערך אטומים, אזור אינטראקציה (או "אזור שער") שבו אטומים ספציפיים נגררו והסתבכו באמצעות המצור של רידברג, ואזור קריאה. . הכל התאפשר, אמר אדמס, מכיוון ש"מערכת Rydberg מציעה לך את כל היכולת הזו לערבב קיוביטים ולהחליט מי מקיים אינטראקציה עם מי, מה שנותן לך גמישות שאין לקיוביטים מוליכים".

צוות הרווארד הדגים טכניקות לתיקון שגיאות עבור כמה אלגוריתמים פשוטים של קיוביטים לוגיים, אם כי עבור הגדולים שבהם, עם 48 קיוביטים לוגיים, הם רק השיגו זיהוי שגיאות. לדברי תומפסון, הניסויים האחרונים הראו כי "הם יכולים לדחות באופן מועדף תוצאות מדידה עם שגיאות, ולכן לזהות תת-קבוצה של תוצאות עם שגיאות נמוכות יותר." גישה זו נקראת בחירה לאחר, ולמרות שהיא יכולה למלא תפקיד בתיקון שגיאות קוונטי, היא לא פותרת את הבעיה כשלעצמה.

אטומי רידברג עשויים להתאים את עצמם לקודים חדשים לתיקון שגיאות. זה ששימש בעבודת הרווארד, שנקרא קוד השטח, "פופולרי מאוד אבל גם מאוד לא יעיל", אמר ספמן; זה נוטה לדרוש קיוביטים פיזיים רבים כדי ליצור קיוביט לוגי אחד. קודים אחרים, יעילים יותר לתיקון שגיאות, דורשים אינטראקציות בטווח ארוך יותר בין קיוביטים, לא רק זיווג של השכן הקרוב ביותר. מתרגלים של מחשוב קוונטי אטומי ניטרלי חושבים שאינטראקציות רידברג ארוכות טווח צריכות לעמוד במשימה. "אני מאוד אופטימי שניסויים במהלך השנתיים-שלוש הבאות יראו לנו שהתקורה לא צריכה להיות גרועה כמו שאנשים חשבו", אמר לוקין.

למרות שיש עוד מה לעשות, סטין רואה בעבודת הרווארד "שינוי צעד במידת מימוש פרוטוקולי תיקון השגיאות במעבדה".

מסתובב

להתקדמות כמו אלה יש קיוביטים של Rydberg-atom לצייר אפילו עם המתחרים שלהם. "השילוב של שערים בעלי נאמנות גבוהה, המספר הגדול של קיוביטים, מדידות דיוק גבוהות וקישוריות גמישה מאפשרים לנו להתייחס למערך האטום של Rydberg כמתחרה אמיתי לקיוביטים המוליכים והיונים הכלואים", אמר סטין.

בהשוואה לקיוביטים מוליכים-על, הטכנולוגיה מגיעה בשבריר מעלות ההשקעה. לקבוצת הרווארד יש חברת ספין-אוף בשם QuEra, שכבר יצרה מעבד קוונטי של 256 קיוביטים Rydberg שנקרא נשר - "סימולטור קוונטי" אנלוגי שיכול להריץ סימולציות של מערכות של חלקיקים קוונטיים רבים - זמין בענן בשיתוף עם פלטפורמת המחשוב הקוונטי Braket של אמזון. QuEra פועלת גם לקידום תיקון שגיאות קוונטי.

ספמן הצטרף לחברה בשם הטיה, אשר מפתחת את הפלטפורמה האופטית הנייטרלית-אטומית עבור חיישנים ותקשורת קוונטים וכן מחשוב קוונטי. "לא אתפלא אם אחת מחברות ה-IT הגדולות תיכנס בקרוב לשותפות כלשהי עם אחד מהספינאופים האלה", אמר אדמס.

"ביצוע תיקון שגיאות ניתן להרחבה עם קיוביטים ניטרליים באטום הוא בהחלט אפשרי", אמר תומפסון. "אני חושב ש-10,000 קיוביטים אטומים ניטרליים אפשריים בבירור בתוך כמה שנים." מעבר לכך, הוא חושב שמגבלות מעשיות על כוח הלייזר והרזולוציה יחייבו עיצובים מודולריים שבו מספר מערכי אטומים נפרדים מקושרים זה לזה.

אם זה יקרה, מי יודע מה ייצא מזה? "אנחנו אפילו לא יודעים עדיין מה אנחנו יכולים לעשות עם מחשוב קוונטי," אמר לוקין. "אני באמת מקווה שההתקדמות החדשות האלה יעזרו לנו לענות על השאלות האלה."