במערכת קוונטית גדולה הכוללת חלקים רבים הקשורים זה בזה, אפשר לחשוב על הסתבכות ככמות המידע הקוונטי המשותף בין תת-מערכת נתונה של קיוביטים (המיוצגים ככדורים עם חיצים) לבין שאר המערכת הגדולה יותר. ניתן לסווג את ההסתבכות בתוך מערכת קוונטית כחוק שטח או כחוק בהתבסס על האופן שבו מידע משותף זה מתרחב עם הגיאומטריה של תת-מערכות, כפי שמוצג כאן. קרדיט: אלי קרנץ, Krantz NanoArt
המקדמה מציעה דרך לאפיין משאב בסיסי הדרוש עבורו מחשוב קוונטי.
הסתבכות היא צורה של מתאם בין עצמים קוונטיים, כגון חלקיקים בקנה מידה אטומי. לא ניתן להסביר את התופעה הקוונטית הייחודית הזו על ידי חוקי הפיזיקה הקלאסית, אך היא אחת התכונות שמסבירות את ההתנהגות המקרוסקופית של מערכות קוונטיות.
מכיוון שהסתבכות היא מרכזית באופן שבו מערכות קוונטיות פועלות, הבנה טובה יותר יכולה לתת למדענים תחושה עמוקה יותר של האופן שבו מידע מאוחסן ומעובד ביעילות במערכות כאלה.
קוויביטים, או ביטים קוונטיים, הם אבני הבניין של מחשב קוונטי. עם זאת, קשה מאוד ליצור מצבים מסובכים ספציפיים במערכות קיוביט רבות, שלא לדבר על לחקור אותם. יש גם מגוון של מצבים סבוכים, ולהבדיל ביניהם יכול להיות מאתגר.
עַכשָׁיו, MIT חוקרים הדגימו טכניקה ליצירת הסתבכות יעילה בין מערך של קיוביטים מוליכים-על המפגינים סוג מסוים של התנהגות.
במהלך השנים האחרונות פיתחו החוקרים בקבוצת מערכות קוונטיות הנדסיות (EQuS) טכניקות באמצעות טכנולוגיית מיקרוגל לשליטה מדויקת במעבד קוונטי המורכב ממעגלים מוליכים. בנוסף לטכניקות הבקרה הללו, השיטות שהוצגו בעבודה זו מאפשרות למעבד ליצור ביעילות מצבים מסובכים מאוד ולהעביר את המצבים מסוג אחד של הסתבכות לאחר – כולל בין סוגים שיש להם סיכוי גבוה יותר לתמוך בהאצה קוונטית לבין אלו ש לא.
"כאן, אנו מדגימים שאנו יכולים להשתמש במעבדים הקוונטים המתפתחים ככלי לקידום ההבנה שלנו בפיזיקה. אמנם כל מה שעשינו בניסוי הזה היה בקנה מידה שעדיין ניתן לדמות במחשב קלאסי, אבל יש לנו מפת דרכים טובה לשינוי קנה מידה של טכנולוגיה ומתודולוגיה זו מעבר להישג ידם של מחשוב קלאסי", אומר אמיר ה. קרמלו '18, MEng' 18, PhD '23, המחבר הראשי של המאמר.
הכותב הבכיר הוא וויליאם ד. אוליבר, הפרופסור להנדסת חשמל ומדעי המחשב ולפיזיקה הנרי אליס וורן, מנהל המרכז להנדסה קוונטית, מנהיג קבוצת EQuS ומנהל שותף של מעבדת המחקר לאלקטרוניקה. אל קרמלו ואוליבר מצטרפים מדען המחקר ג'ף גרובר, הפוסט-דוקטורט אילן רוזן ואחרים במחלקות להנדסת חשמל ומדעי המחשב ולפיזיקה ב-MIT, במעבדת MIT לינקולן ובוולסלי קולג' ובאוניברסיטת מרילנד. המחקר פורסם לאחרונה בכתב העת טֶבַע.
הערכת הסתבכות
במערכת קוונטית גדולה הכוללת קיוביטים רבים המחוברים זה לזה, אפשר לחשוב על הסתבכות ככמות המידע הקוונטי המשותף בין תת-מערכת נתונה של קיוביטים לבין שאר המערכת הגדולה יותר.
ניתן לסווג את ההסתבכות בתוך מערכת קוונטית כחוק שטח או חוק נפח, בהתבסס על האופן שבו מידע משותף זה מתרחב עם הגיאומטריה של תת-מערכות. בהסתבכות בחוק נפח, כמות ההסתבכות בין תת-מערכת של קיוביטים לשאר המערכת גדלה באופן יחסי עם הגודל הכולל של תת-המערכת.
מצד שני, הסתבכות חוק שטח תלויה בכמה קשרים משותפים קיימים בין תת-מערכת של קיוביטים למערכת הגדולה יותר. ככל שתת המערכת מתרחבת, כמות ההסתבכות רק גדלה לאורך הגבול בין תת המערכת למערכת הגדולה יותר.
בתיאוריה, היווצרות הסתבכות של חוקי נפח קשורה למה שהופך את המחשוב הקוונטי לעוצמתי כל כך.
"למרות שעדיין לא הפשטנו במלואו את התפקיד שממלא ההסתבכות באלגוריתמים קוונטיים, אנחנו יודעים שיצירת הסתבכות של חוקי נפח היא מרכיב מפתח למימוש יתרון קוונטי", אומר אוליבר.
עם זאת, הסתבכות חוק נפח מורכבת יותר מהסתבכות חוק שטח, ולמעשה אסורה בקנה מידה לדמות שימוש במחשב קלאסי.
"ככל שאתה מגדיל את המורכבות של המערכת הקוונטית שלך, זה הופך להיות יותר ויותר קשה לדמות אותה עם מחשבים רגילים. אם אני מנסה לעקוב באופן מלא אחר מערכת עם 80 קיוביטים, למשל, אז אני אצטרך לאחסן יותר מידע ממה שאחסנו לאורך ההיסטוריה של האנושות", אומר קרמלו.
החוקרים יצרו מעבד קוונטי ופרוטוקול בקרה המאפשרים להם ליצור ולבחון ביעילות את שני סוגי ההסתבכות.
המעבד שלהם מורכב ממעגלים מוליכים, המשמשים להנדסת אטומים מלאכותיים. האטומים המלאכותיים משמשים כקיוביטים, אותם ניתן לשלוט ולקרוא עם גבוה דיוק באמצעות אותות מיקרוגל.
המכשיר ששימש לניסוי זה הכיל 16 קיוביטים, המסודרים ברשת דו מימדית. החוקרים כיוונו בקפידה את המעבד כך שלכל 16 הקיוביטים יש אותה תדר מעבר. לאחר מכן, הם הפעילו כונן מיקרוגל נוסף על כל הקיוביטים בו זמנית.
אם לכונן המיקרוגל הזה יש תדר זהה לקיוביטים, הוא יוצר מצבים קוונטיים שמפגינים הסתבכות בחוק הנפח. עם זאת, ככל שתדירות המיקרוגל עולה או יורדת, הקיוביטים מפגינים פחות הסתבכות של חוק הנפח, ובסופו של דבר עוברים למצבים מסובכים שעוקבים יותר ויותר אחר קנה מידה של חוק שטח.
בקרה זהירה
"הניסוי שלנו הוא סיור דה-כוח של היכולות של מעבדים קוונטיים מוליכים-על. בניסוי אחד, הפעלנו את המעבד הן כמכשיר סימולציה אנלוגי, המאפשר לנו להכין ביעילות מצבים עם מבני הסתבכות שונים, והן כהתקן מחשוב דיגיטלי, הדרוש למדידת קנה המידה של ההסתבכות לאחר מכן", אומר רוזן.
כדי לאפשר שליטה זו, הצוות השקיע שנים של עבודה בבנייה קפדנית של התשתית סביב המעבד הקוונטי.
על ידי הדגמת הצלבה בין חוק נפח להסתבכות חוק שטח, החוקרים אישרו בניסוי את מה שמחקרים תיאורטיים חזו. חשוב מכך, ניתן להשתמש בשיטה זו כדי לקבוע אם ההסתבכות במעבד קוונטי גנרי היא חוק השטח או חוק הנפח.
"ניסוי MIT מדגיש את ההבחנה בין חוק שטח והסתבכות חוק נפח בסימולציות קוונטיות דו-ממדיות באמצעות קיוביטים מוליכים-על. זה משלים בצורה יפה את עבודתנו על סבוך טומוגרפיה המילטון עם יונים לכודים בפרסום מקביל שפורסם ב טֶבַע בשנת 2023", אומר פיטר צולר, פרופסור לפיזיקה תיאורטית באוניברסיטת אינסברוק, שלא היה מעורב בעבודה זו.
"כימת הסתבכות במערכות קוונטיות גדולות היא משימה מאתגרת עבור מחשבים קלאסיים, אבל דוגמה טובה למקום שבו הדמיית קוונטית יכולה לעזור", אומר פדרם רושן מגוגל, שגם הוא לא היה מעורב במחקר. "באמצעות מערך דו-ממדי של קיוביטים מוליכים-על, קרמלו ועמיתיו הצליחו למדוד אנטרופיית הסתבכות של תת-מערכות שונות בגדלים שונים. הם מודדים את התרומות של חוק הנפח וחוק השטח לאנטרופיה, וחושפים התנהגות הצלבה כאשר אנרגיית המצב הקוונטי של המערכת מכווננת. זה מדגים בעוצמה את התובנות הייחודיות שסימולטורים קוונטיים יכולים להציע."
בעתיד, מדענים יוכלו להשתמש בטכניקה זו כדי לחקור את ההתנהגות התרמודינמית של מערכות קוונטיות מורכבות, שהיא מורכבת מכדי שניתן יהיה לחקור אותה באמצעות שיטות אנליטיות עדכניות, ולמעשה אסורה לדמות אותה אפילו במחשבי העל החזקים בעולם.
"הניסויים שעשינו בעבודה זו יכולים לשמש כדי לאפיין או לסמן מערכות קוונטיות בקנה מידה גדול יותר, וייתכן שגם נלמד משהו נוסף על אופי ההסתבכות במערכות רבות הגוף הללו", אומר קרמלו.
מחברות שותפות נוספות של המחקר הן שרה א. מושינסקה, קורה נ. בארט, אגוסטין די פאולו, לאון דינג, פטריק מ. הרינגטון, מקס הייז, רבינדרה דאס, דייוויד ק. קים, בת'ני מ. נידז'אלסקי, מגהן שולדט, קייל Serniak, Mollie E. Schwartz, Jonilyn L. Yoder, Simon Gustavsson, יריב ינאי.
מחקר זה ממומן, בחלקו, על ידי משרד האנרגיה של ארה"ב, הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים של ארה"ב, משרד המחקר של צבא ארה"ב, הקרן הלאומית למדע, מרכז STC לחומרים קוונטיים משולבים, מלגת ולסלי קולג' סמואל והילדה לויט , נאס"אומכון אוק רידג' למדע וחינוך.
