מחשוב קוונטי משוחרר: מגנונים מגדירים מחדש גבולות חישוביים

חוקרים ב-HZDR פיתחו שיטה חדשה להעברת מידע קוונטי באמצעות מגנונים, ומציעה גישה מבטיחה להתגברות על האתגרים ב מחשוב קוונטיבמיוחד בשיפור יציבות הקיוביט ויעילות התקשורת.

מחשבים קוונטיים מבטיחים להתמודד עם כמה מהבעיות המאתגרות ביותר העומדות בפני האנושות כיום. בעוד תשומת לב רבה הופנתה לחישוב מידע קוונטי, התמרה של מידע בתוך רשתות קוונטיות חיונית באותה מידה למימוש הפוטנציאל של טכנולוגיה חדשה זו.

במתן מענה לצורך זה, צוות מחקר ב- הלמהולץ-מרכז דרזדן-רוסנדורף (HZDR) מציגה כעת גישה חדשה להעברת מידע קוונטי: הצוות ביצע מניפולציות בסיביות קוונטיות, מה שנקרא קיוביטים, על ידי רתימת השדה המגנטי של מגנונים – עירורים דמויי גל בחומר מגנטי – המתרחשים בתוך דיסקים מגנטיים מיקרוסקופיים. החוקרים הציגו את תוצאותיהם בכתב העת התקדמות המדע.

אתגרים בטכנולוגיה קוונטית

בנייתו של מחשב קוונטי אוניברסלי הניתן לתכנות עומדת כאחד מהמאמצים ההנדסיים והמדעיים המאתגרים ביותר של זמננו. מימושו של מחשב כזה טומן בחובו פוטנציאל רב לתחומי תעשייה מגוונים כמו לוגיסטיקה, פיננסים ותרופות. עם זאת, בנייתו של מחשב קוונטי מעשי הופחתה על ידי השבריריות המהותית של האופן שבו המידע מאוחסן ומעובד בטכנולוגיה זו. מידע קוונטי מקודד בקיוביטים, הרגישים ביותר לרעש בסביבתם. תנודות תרמיות זעירות, שבריר ממעלה, עלולות לשבש לחלוטין את החישוב.

זה גרם לחוקרים להפיץ את הפונקציונליות של מחשבים קוונטיים בין אבני בניין נפרדות, במאמץ להפחית את שיעורי השגיאות, ולנצל יתרונות משלימים מהמרכיבים שלהם. "עם זאת, זה מציב את הבעיה של העברת המידע הקוונטי בין המודולים באופן שהמידע לא ייעלם", אומר חוקר HZDR מאוריסיו בז'ראנו, המחבר הראשון של הפרסום. "המחקר שלנו טמון בדיוק בנישה הספציפית הזו, המעביר תקשורת בין מודולים קוונטיים שונים."

תקשורת קוונטית מתקדמת

השיטה המבוססת כיום להעברת מידע קוונטי והתייחסות לקיוביטים היא באמצעות אנטנות מיקרוגל. זו הגישה שבהן משתמשות גוגל ו-IBM בשבבים המוליכים שלהן, הפלטפורמה הטכנולוגית העומדת בחזית במירוץ הקוונטי הזה. "אנו, לעומת זאת, מתייחסים לקיוביטים באמצעות מגנונים", אומר הפיזיקאי הלמוט שולטהייס של HZDR, שפיקח על העבודה

"אפשר להתייחס אליהם כעל גלי עירור מגנטיים שעוברים דרך חומר מגנטי. היתרון כאן הוא שאורך הגל של מגנונים נמצא בטווח המיקרומטר וקצר משמעותית מגלי הסנטימטר של טכנולוגיית המיקרוגל הקונבנציונלית. כתוצאה מכך, טביעת הרגל של המיקרוגל של מגנונים עולה פחות מקום בשבב".

מחלק תדרים מתוחכם

קבוצת HZDR חקרה את האינטראקציה של מגונים וקיוביטים שנוצרו על ידי מקומות פנויים של אטומי סיליקון במבנה הגבישי של סיליקון קרביד, חומר נפוץ בשימוש באלקטרוניקה בעלת הספק גבוה. סוגים כאלה של קיוביטים נקראים בדרך כלל ספין קיוביטים, בהינתן שהמידע הקוונטי מקודד במצב הספין של המשרה הפנוי. אבל איך ניתן להשתמש במגנונים כדי לשלוט בסוגים אלה של קיוביטים?

"בדרך כלל, מגנונים נוצרים עם אנטנות מיקרוגל. זה מציב את הבעיה שקשה מאוד להפריד בין כונן המיקרוגל שמגיע מהאנטנה לזה שמגיע מהמגנונים", מסביר בז'רנו.

כדי לבודד את גלי המיקרו מהמגנונים, צוות HZDR השתמש בתופעה מגנטית אקזוטית הניתנת לצפייה בדיסקות מגנטיות מיקרוסקופיות של ברזל ניקל סַגסוֹגֶת. "בשל תהליך לא ליניארי, לחלק מהגנונים בתוך הדיסק יש תדר נמוך בהרבה מתדר ההנעה של האנטנה. אנו מבצעים מניפולציות על קיוביטים רק עם המגונים בתדר נמוך יותר." צוות המחקר מדגיש שהם לא ביצעו עדיין חישובים קוונטיים. עם זאת, הם הראו שזה אפשרי באופן בסיסי לטפל בקיוביטים אך ורק עם מגנונים.

מינוף כוח מגנון

"עד היום, קהילת ההנדסה הקוונטית עדיין לא הבינה שניתן להשתמש במגנונים כדי לשלוט בקיוביטים", מדגיש שולטהייס. "אבל הניסויים שלנו מוכיחים שהגלים המגנטיים האלה אכן יכולים להיות שימושיים." על מנת לפתח עוד יותר את הגישה שלהם, הצוות כבר מתכונן לתוכניות העתידיות שלהם: הם רוצים לנסות לשלוט בכמה קיוביטים בודדים מרווחים באופן צמוד, בצורה כזו שמגנונים מתווכים את תהליך ההסתבכות שלהם – תנאי מוקדם לביצוע חישובים קוונטיים.

החזון שלהם הוא שבטווח הארוך, מגונים יכולים להיות מעוררים על ידי זרמים חשמליים ישירים בדיוק כזה שהם מתייחסים באופן ספציפי ובלעדי לקיוביטים בודדים במערך של קיוביטים. זה יאפשר להשתמש במגנונים כאוטובוס קוונטי הניתן לתכנות כדי לטפל בקיוביטים בצורה יעילה ביותר. למרות שיש הרבה עבודה לפנינו, המחקר של הקבוצה מדגיש ששילוב מערכות מגנוניות עם טכנולוגיות קוונטיות עשוי לספק תובנות שימושיות לפיתוח מחשב קוונטי מעשי בעתיד.