הסיליקון הטהור בעולם סולל את הדרך למחשבי קוונטים מהדור הבא

פריצת דרך גדולה בתחום מחשוב קוונטי הושג עם פיתוח של סיליקון טהור במיוחד, מה שמציב את הבמה ליצירת מחשבים קוונטיים רבי עוצמה וניתנים להרחבה.

לפני יותר מ-100 שנה, מדענים מאוניברסיטת מנצ'סטר שינו את העולם כשגילו את הגרעין באטומים, וסימנו את לידתה של הפיזיקה הגרעינית.

מהר קדימה להיום, וההיסטוריה חוזרת על עצמה, הפעם במחשוב קוונטי.

בהתבסס על אותה שיטה חלוצית שחישל ארנסט רתרפורד – "מייסד הפיזיקה הגרעינית" – מדענים באוניברסיטה, בשיתוף אוניברסיטת מלבורן באוסטרליה, ייצרו צורה משופרת וטהורה במיוחד של סיליקון המאפשרת בנייה של התקני qubit – ביצועים – מרכיב בסיסי הנדרש כדי לסלול את הדרך לעבר מחשבים קוונטיים ניתנים להרחבה.

הממצא, שפורסם בכתב העת חומרי תקשורתיכול להגדיר ולדחוף קדימה את עתיד המחשוב הקוונטי.

מחשוב קוונטי מתקדם

ריצ'רד קארי, פרופסור לחומרים אלקטרוניים מתקדמים באוניברסיטת מנצ'סטר, אמר:

"מה שהצלחנו לעשות הוא ליצור ביעילות 'לבנה' קריטית הדרושה לבניית מחשב קוונטי מבוסס סיליקון. זהו צעד מכריע להפיכת טכנולוגיה שיש לה פוטנציאל להיות טרנספורמטיבי עבור המין האנושי – לביצוע; טכנולוגיה שיכולה לתת לנו את היכולת לעבד נתונים בקנה מידה כזה, שנוכל למצוא פתרונות לנושאים מורכבים כמו טיפול בהשפעת שינויי האקלים והתמודדות עם אתגרי שירותי הבריאות.

"ראוי שההישג הזה מתיישב עם יום השנה ה-200 של האוניברסיטה שלנו, שבה מנצ'סטר הייתה בחזית החדשנות המדעית לאורך כל התקופה הזו, כולל פיצול של רתרפורד אָטוֹםגילוי ב-1917, ואז ב-1948 עם 'התינוק' – ההדגמה הראשונה אי פעם בחיים האמיתיים של מחשוב אלקטרוני מאוחסנת, עכשיו עם הצעד הזה לקראת מחשוב קוונטי."

התגברות על אתגרים קוונטיים

אחד האתגרים הגדולים ביותר בפיתוח מחשבים קוונטיים הוא שהקיוביטים – אבני הבניין של המחשוב הקוונטי – הם רגישים ביותר ודורשים סביבה יציבה כדי לשמור על המידע שהם מחזיקים. אפילו שינויים זעירים בסביבתם, כולל תנודות בטמפרטורה עלולים לגרום לשגיאות מחשב.

בעיה נוספת היא קנה המידה שלהם, הן גודלם הפיזי והן כוח העיבוד. לעשרה קיוביטים יש כוח עיבוד זהה ל-1,024 סיביות במחשב רגיל ויכולים לתפוס נפח קטן בהרבה. מדענים מאמינים שמחשב קוונטי בעל ביצועים מלאים צריך כמיליון קיוביטים, מה שמספק את היכולת הבלתי ניתנת לביצוע על ידי כל מחשב קלאסי.

תפקידו של סיליקון במחשוב קוונטי

סיליקון הוא החומר הבסיסי במחשוב הקלאסי בשל תכונות המוליכים למחצה שלו והחוקרים מאמינים שהוא יכול להיות התשובה למחשבים קוונטיים ניתנים להרחבה. מדענים בילו את 60 השנים האחרונות בלימוד כיצד להנדס סיליקון כדי לגרום לו לבצע את הביצועים הטובים ביותר, אבל במחשוב קוונטי, יש לזה אתגרים.

הסיליקון הטבעי מורכב משלושה אטומים בעלי מסה שונה (הנקראים איזוטופים) – סיליקון 28, 29 ו-30. עם זאת, ה-Si-29, המהווה כ-5% מהסיליקון, גורם לאפקט של 'היפוך גרעיני' הגורם לקיוביט לאבד מידע.

בפריצת דרך באוניברסיטת מנצ'סטר, מדענים המציאו דרך להנדס סיליקון כדי להסיר את אטומי הסיליקון 29 ו-30, מה שהופך אותו לחומר המושלם לייצור מחשבים קוונטיים בקנה מידה, ועם גבוה דיוק.

התוצאה – הסיליקון הטהור בעולם – מספקת נתיב ליצירת מיליון קיוביטים, אשר עשויים להיות מפוברקים בגודל של ראש סיכה.

רבי אחריה, חוקר דוקטורט שביצע עבודה ניסיונית בפרויקט, הסביר: "היתרון הגדול של מחשוב קוונטי סיליקון הוא שאותן טכניקות המשמשות לייצור השבבים האלקטרוניים — כרגע בתוך מחשב יומיומי המורכב ממיליארדי טרנזיסטורים — יכול לשמש ליצירת קיוביטים עבור התקנים קוונטיים מבוססי סיליקון. היכולת ליצור קיוביטים סיליקון באיכות גבוהה הוגבלה בחלקה עד היום על ידי טוהר חומר המוצא של הסיליקון המשמש. הטוהר פורץ הדרך שאנו מראים כאן פותר את הבעיה הזו".

היכולת החדשה מציעה מפת דרכים לקראת התקנים קוונטיים ניתנים להרחבה עם ביצועים ויכולות שאין שני להם, והיא טומנת בחובה הבטחה לשנות טכנולוגיות בדרכים שקשה לדמיין.

מפקח שותף בפרויקט, פרופסור דיוויד ג'יימיסון, מאוניברסיטת מלבורן, אמר: "הטכניקה שלנו פותחת את הדרך למחשבים קוונטיים אמינים המבטיחים שינויים שלבים ברחבי החברה, כולל בבינה מלאכותית, נתונים ותקשורת מאובטחים, עיצוב חיסונים ותרופות, ו שימוש באנרגיה, לוגיסטיקה וייצור.

"עכשיו, כשאנחנו יכולים לייצר סיליקון 28 טהור במיוחד, הצעד הבא שלנו יהיה להוכיח שאנחנו יכולים לשמור על קוהרנטיות קוונטית עבור קיוביטים רבים בו זמנית. מחשב קוונטי אמין עם 30 קיוביטים בלבד יעלה על ההספק של מחשבי העל של ימינו עבור יישומים מסוימים."

הבנת מחשוב קוונטי

כל המחשבים פועלים באמצעות אלקטרונים. בנוסף למטען שלילי, לאלקטרונים יש תכונה נוספת המכונה 'ספין', שלעיתים משווה לסביבון.

הספין המשולב של האלקטרונים בתוך זיכרון המחשב יכול ליצור שדה מגנטי. ניתן להשתמש בכיוון השדה המגנטי הזה כדי ליצור קוד שבו כיוון אחד נקרא '0' והכיוון השני נקרא '1'. זה מאפשר לנו להשתמש במערכת מספרים שמשתמשת רק ב-0 וב-1 כדי לתת הוראות למחשב. כל 0 או 1 נקראים ביט.

במחשב קוונטי, במקום ההשפעה המשולבת של ספין של מיליונים רבים של אלקטרונים, אנו יכולים להשתמש בספין של אלקטרונים בודדים, לעבור מעבודה בעולם ה'קלאסי' לעולם ה'קוונטי'; משימוש ב-'bits' ל-'qubits'.

בעוד שמחשבים קלאסיים עושים חישוב אחד אחרי השני, מחשבים קוונטיים יכולים לבצע את כל החישובים בו-זמנית ומאפשרים להם לעבד כמויות אדירות של מידע ולבצע חישובים מורכבים מאוד במהירות ללא תחרות.

בעוד שעדיין בשלבים מוקדמים של המחשוב הקוונטי, לאחר שהתפתחו במלואם, ישמשו מחשבים קוונטיים לפתרון בעיות מורכבות בעולם האמיתי, כגון תכנון תרופות, ולספק תחזיות מזג אוויר מדויקות יותר – חישובים קשים מדי עבור מחשבי העל של ימינו.

עבודה זו נתמכה על ידי מועצת המחקר להנדסה ומדעי הפיזיקה הבריטית (EPSRC), ובמיוחד מענק התוכנית 'הנדסת חומרים מתקדמים בקנה מידה ננומטרי' בראשות פרופ' קארי. שיתוף הפעולה של פרופסור ג'יימיסון עם אוניברסיטת מנצ'סטר נתמך על ידי מלגת ביקור וולפסון של החברה המלכותית ומועצת המחקר האוסטרלית. Ravi Acharya הוא דוקטורנט משותף מאוניברסיטת מנצ'סטר ואוניברסיטת מלבורן הנתמך על ידי מלגת קוקסון.