האתגר הגדול ביותר בפיתוח המחשב הקוונטי מורכב מהרעש המגנטי והחשמלי שמפריע לאפקט הקוונטי, ולכן המעבד QPU (Quantum Processing Unit) מקורר לטמפרטורה הנמוכה ביותר האפשרית ממש מעל נקודת האפס המוחלטת של -273 מעלות. זה קורה בקריוסטט, שניתן לראות בתמונה. המעבד ממוקם בתחתית הקרוסטט. קרדיט: אולה ג'יואנסן, NBI
מדענים ברחבי העולם עובדים קשה כדי לשטוף מערכות קוונטיות לרעש, שעלול להפריע לתפקודם של המחשבים הקוונטים החזקים של מחר. חוקרים ממכון נילס בוהר (NBI) מצאו דרך להשתמש ברעש כדי לעבד מידע קוונטי. זה מעלה את הביצועים של מחשוב קוונטי יחידה, הקיוביט.
שיתוף פעולה בינלאומי בראשות מדענים ממכון נילס בוהר (NBI), אוניברסיטת קופנהגן, הוכיח גישה חלופית. השיטה שלהם מאפשרת להשתמש ברעש כדי לעבד מידע קוונטי. כתוצאה מכך, הביצועים של יחידת המחשוב הקוונטי הבסיסית של המידע, הקיוביט, גדלים ב-700 אחוזים.
התוצאות פורסמו לאחרונה בכתב העת תקשורת טבע.
"הימנעות מרעשים במערכות קוונטיות הוכחה כקשה, מכיוון שכמעט כל שינוי בסביבה עלול לקלקל דברים. לדוגמה, ייתכן שהמערכת שלך פועלת בשדה מגנטי או חשמלי נתון, ואם השדה הזה משתנה רק מעט, ההשפעות הקוונטיות מתפרקות. אנו מציעים גישה שונה לחלוטין. במקום להיפטר מרעש, אנו משתמשים במעקב רעש מתמשך בזמן אמת ומתאימים את המערכת כשמתרחשים שינויים בסביבה", אומר Ph.D. חוקר ב-NBI Fabrizio Berritta, המחבר הראשי של המחקר.
הגישה החדשה אפשרית הודות להתפתחויות האחרונות במספר תחומי היי-טק.
"בעבר, נניח לפני עשרים שנה, ניתן היה לדמיין את התנודות לאחר הניסוי, אבל זה היה איטי מדי לנצל את המידע הזה במהלך הניסוי בפועל. אנו משתמשים בטכנולוגיית FPGA (field-programmable-gate-array, ed.) כדי לקבל את המדידות בזמן אמת. ובהמשך, אנו משתמשים למידת מכונה כדי להאיץ את הניתוח", מסביר פבריציו בריטה, ממשיך:
"כל הרעיון הוא לקבל את המדידות ולבצע את הניתוח באותו מעבד שמתאים את המערכת בזמן אמת. אחרת, התוכנית לא תהיה מהירה מספיק עבור יישומי מחשוב קוונטי."
קיוביט הוא המחשוב הקוונטי המתקדם המקביל ל-bit. הקיוביט של הפרויקט מורכב משני אלקטרונים הכלואים בגביש. ניתן לשלוט בספין של האלקטרונים (כאן לאחד יש ספין כלפי מטה, לשני כלפי מעלה) ניתן לשלוט על ידי שינוי שיפוע השדה המגנטי ΔBz. עם זאת, גם רעש מגנטי וגם רעש חשמלי משפיעים על שיפוע זה. מיקרו-מעבד FPGA (Feld-Programmable Gate Array) מודד ברציפות את רמת הרעש ומתכוונן לשינויים בזמן אמת. קרדיט: פבריציו בריטה
תכונות קוונטיות מוסיפות ערך
במחשוב הנוכחי, היחידה הבסיסית של מידע שניתן להעברה, המכונה ביט, קשורה למטען האלקטרונים. זה יכול להיות רק אחד משני ערכים, אחד או אפס – או שיש אלקטרונים או שאין. יחידת המחשוב הקוונטי המתאימה – המכונה קיוביט – תוכל להניח יותר משני ערכים. כמות המידע המוכלת לכל קיוביט תגדל באופן אקספוננציאלי עם מספר המאפיינים הקוונטיים שאפשר לשלוט בהם, אולי יגרום למחשבים שיהיו חזקים יותר ממחשבים רגילים יום אחד.
אבן יסוד אחת של מכניקת הקוונטים היא שלחלקיקים היסודיים יהיו לא רק מסה ומטען אלא גם ספין. מונח מפתח נוסף הוא הסתבכות. כאן, שני חלקיקים או יותר מקיימים אינטראקציה באופן שלא ניתן לתאר את המצב הקוונטי של חלקיק בודד ללא תלות במצבו של האחר/ים.
הפרוטוקול מאחורי הממצאים החדשים משלב קוביט ספין יחיד-טריפלט המיושם בנקודה קוונטית כפולה של גליום ארסניד עם בקרי קיוביט מופעלי FPGA. הקיוביט כולל שני אלקטרונים, כאשר המצבים של שני האלקטרונים מסובכים.
פרופ' פרדיננד קומת' היה המנחה של פבריציו בריטה במהלך פרויקט הדוקטורט שלו במרכז להתקנים קוונטיים במכון נילס בוהר באוניברסיטת קופנהגן. קרדיט: פבריציו בריטה
מאמץ צוות בינתחומי
בדיוק כמו קיוביטים ספין אחרים, הקיוביט סינגל-טריפלט פגיע אפילו להפרעות קטנות בסביבתם. הפיזיקאים משתמשים במונח "רעש", שאסור להתייחס אליו מילולית כרעש אקוסטי. ביחס למערכות קוונטיות, הפרעות כמו תנודות בשדה חשמלי או מגנטי עלולות לקלקל את המצב/ים הקוונטיים של עניין.
כדי להדגים את השימוש המועיל בתנודות סביבתיות, החוקרים בחרו בקיוביט זה מכיוון שהצימוד שלו לרעש מגנטי וגם לרעש חשמלי מובן היטב מסדרה של מחקרים קודמים ב-NBI, בראשות פרופסור פרדיננד קומת, העומד בראש קבוצת מחקר בנושא מוליכות למחצה ומוליכות על. מכשירים קוונטיים ב-NBI.
המחקר החדש, במימון האיחוד האירופי, ריכז קבוצות מחקר ב-NBI, אוניברסיטת פרדו, האוניברסיטה הנורבגית למדע וטכנולוגיה, חברות QDevil (קופנהגן) ומכונות קוונטיות (תל אביב) במגוון תחומים כמו חומרי קיוביט, ייצור קיוביט. , חומרת בקרת קיוביט, תורת המידע הקוונטי ולמידת מכונה.
"שיתוף הפעולה הזה ממחיש שפיתוח מחשבים קוונטיים אינו עוד פעילות שניתן להניע על ידי קבוצות פיזיקה בודדות. קח כל אחד מהשותפים שלנו, והעבודה הזו לא הייתה אפשרית", אומר פרדיננד קומת.
גישה טובה יותר לרעש
החוקרים רואים בפרוטוקול החדש אבן דרך לקראת פיתוח מחשבים קוונטיים, אך גם מבינים שיש להשיג אבני דרך רבות אחרות.
"השלב הבא עבורנו יהיה ליישם את הפרוטוקול שלנו על מערכות של חומרים שונים ועם יותר מקיוביט אחד", אומר פבריציו בריטה, מסכם:
"אני לא יכול לומר מתי נראה את המחשב הקוונטי השימושי הראשון באמת. אולי בעוד עשר שנים מהיום. בכל מקרה, אנו מאמינים שהגענו לגישה מבטיחה. עמיתים רבים מתמקדים בסילוק רעש כדי לפתח קיוביטים טובים יותר, למשל על ידי שיפור איכות החומרים המשמשים לייצור הקיוביטים. הוכחנו שבתנאים מסוימים אפשר להתאים באופן אקטיבי לחלק מהרעש. זה יכול להיות רלוונטי לסוגים אחרים של קיוביטים מלבד הסוג במחקר שלנו."
