אחד הנושאים החמים ביותר במדע היום הוא המחשב הקוונטי שאמור לבצע חישובים במהירות ובהיקף ששום מחשב קלאסי רגיל לא מסוגל להם על ידי שימוש בעקרונות של מכניקת הקוונטים. עקרון יסוד בתורת הקוונטים הינו עקרון הסופרפוזיציה לפיו לחלקיק קוונטי ישנה הסתברות להיות לא רק במספר מצבים אפשריים אלא גם בצירוף של המצבים הללו. לדוגמה, במחשב הקלאסי יחידת המידע הקטנה ביותר נקראת סיבית והיא יכולה לקבל ערך 0 או 1 בלבד, בעוד יחידת המידע הבסיסית למידע הקוונטי יכולה להיות באחד המצבים הללו או בסופרפוזיציה שלהם עד לרגע המדידה בו תקרוס המערכת למצב המסוים הנמדד. הצורך במחשוב קוונטי עלה בשנת 1980 על ידי פול בניאוף ויורי מאן ולאחריהם בשנת 1982 על ידי ריצ’רד פיינמן. ההבנה שמחשבים קלאסיים אינם מספיקים לחישובים קוונטיים הודות למורכבות החישובים הללו הובילה לרעיון שניתן יהיה לתעל את המורכבות הקוונטית עצמה להוות בסיס לביצוע סימולציות וחישובים.
מכניקת הקוונטים תקפה במהותה למערכות מיקרוסקופיות ברמה האטומית או המולקולרית. באמצע שנות ה-80 הבינו שמערכות מקרוסקופיות "גדולות" של מאות מיקרונים יכולות לדמות את ההתנהגות הקוונטית של אטומים ולבצע חישובים קוונטיים יעילים על ידי שימוש במעגלים חשמליים המכילים מוליכי על. מוליכי על הינם מוליכים אשר בטמפרטורות נמוכות מטמפרטורה קריטית אופיינית ההתנגדות החשמלית בהם מתאפסת שלא כמו במוליך רגיל, בדומה למחליק על מסלול קרח מושלם ללא חיכוך אשר ימשיך להסתחרר לנצח. אולם, באותה תקופה היתה ספקנות רבה בנוגע לממשיות השימוש במעגלים הללו מכיוון שזמני הקוהרנטיות בהם נשמר המידע הקוונטי (או משך הזמן בו ניתן לבצע חישוב קוונטי) היו קצרים מאוד. ב-20 השנים האחרונות התרחשו התפתחויות רבות בהבנת תכנון המעגלים והחומרים המרכיבים אותם שהביאו לשיפור משמעותי של זמני הקוהרנטיות בחמישה סדרי גודל, מננו שניה ל-100 מיקרו שניות. בנוסף, בכדי לבנות מחשב קוונטי חייב להיות נתיב טכנולוגי ברור ובר קיימא. הנתיב של מוליכי העל נראה כרגע מבטיח וברור וכתוצאה מכך הוא חורג מחוץ לגבולות האקדמיה. נכון להיום מספר קבוצות בתעשייה עובדות על יישום מחשב קוונטי כגון איי.בי.אם , גוגל ואינטל, ודוחפות אותו קדימה. יחד עם זאת ישנה אי ודאות בנוגע ליכולת של הטכנולוגיה הזאת לשמש כמחשב קוונטי הלכה למעשה, לכן חיוני להמשיך את המחקר האקדמי אשר בוחן את השאלות הפיזיקאליות הבסיסיות בתחום.
במעבדתו של שי הכהן-ג’ורג’י בפקולטה לפיזיקה בטכניון עובדים בימים אלו על בנית מערכת שתהיה בסיס רעיוני למחשב קוונטי. המחקר יוביל לשיפור זמני הקוהרנטיות ולשיפור רכיבי המערכת. שי למד לדוקטורט באוניברסיטת תל אביב במצב מוצק ניסיוני. במהלך לימודיו שמע הרצאה תאורטית בתחום המחשוב הקוונטי שעוררה את סקרנותו והובילה לפוסט דוקטורט ב-2013 באוניברסיטת ברקלי בקליפורניה. בספטמבר 2017 הגיע שי לפקולטה לפיזיקה בטכניון ובימים אלו הוא זוכה להרכיב את מעבדת המחקר שלו. השאיפה העיקרית שלו היא להגיע למצב שהמערכת במעבדה תוכל לבצע סימולציה בתחם המחשוב הקוונטי אשר תבנה כולה במעבדה בטכניון מ-א’ ועד ת’.
המערכת, אשר עובדת בתחום תדרי המיקרו-גל, מורכבת ממעגלים העשויים ממוליכי על מאלומיניום אשר מתנהגים כמו אטומים, "אלו הם למעשה הקיוביטים עליהם נרצה לבצע חישובים באמצעות שערים לוגיים”, מסביר שי. קיוביט הוא כאמור יחידת המידע הקוונטית ואנו יודעים ממכניקת הקוונטים שלחלקיק שכזה צריכות להיות רמות אנרגיה מוגדרות ושונות (בדידות). "אנו דואגים לכך במעבדה על ידי תכנון מערכות עם קבלים, סלילים ורכיבים מתקדמים (אחד מרכיבים אלה נקרא צומת ג’וספזון) עשויים מוליכי על. בהמשך אנו שולטים על ה"אטומים" באמצעות פוטונים בתדרי מיקרו אשר מאפשרים ל"אטומים" לתקשר האחד עם השני. בנוסף בכדי שהמערכת תתנהג בצורה קוונטית יש לקרר אותה לטמפרטורות נמוכות מאוד של כ-עשרה מילי קלווין (כמינוס 273 מעלות צלזיוס)”.
המטרה העיקרית של הניסוי הראשון תהיה לייצר אינטראקציה בין ארבעה קיוביטים שלא מתקשרים ישירות האחד עם השני. שי: "האינטראקציה נעשית ע"י שליטה לוקאלית ומדידה גלובאלית. שולטים על קיוביט אחד בלבד אבל יוצרים אינטראקציה בין כל הקיוביטים בעצם זה שאנו צופים בכולם יחד, כך שהאות לא מבחין בינהם. בדרך כלל הקיוביטים חייבים להיות מחוברים ישירות האחד לשני בכדי שנוכל לבצע עליהם חישוב באמצעות שער לוגי. כאן אנו רק דורשים שתהיה שליטה על קיוביט אחד וצפיה בכולם יחדיו. עצם המדידה עצמה – הצפייה במערכת – היא זו שתייצר את האינטראקציה“. הרעיון לשער הקוונטי שבמערכת, הנקרא ”שער זינו“, התגבש בזמן הפוסטדוקטורט של שי בעקבות אפקט זינו הקוונטי הנגזר מפרדוקסי זינו הקלאסיים. בפרדוקס הקלאסי על "אכילס והצב" אכילס הלוחם המהיר מתחרה בריצה נגד צב איטי. ההגיון אומר שאם אכילס מהיר בהרבה הוא ישיג את הצב גם אם הצב יקדים לצאת לפניו, אך בפרדוקס זה אכילס עושה טעות גורלית ונותן לצב להתחיל לרוץ לפניו כך שיווצר בינהם פער תמידי. בכל פעם שאכילס מגיע לנקודה שהצב היה בה קודם הצב מספיק להתקדם כך שלמרות שאכילס כל הזמן יתקרב אליו הוא לעולם לא ישיג אותו.
אפקט זינו במכניקת הקוונטים גורס כי אם נצפה מספיק מהר (או מספיק תדיר או מספיק חזק) במערכת קוונטית לא נאפשר למערכת לשנות מצב קוונטי והיא למעשה “תנעל” במצב מסוים. ”במילים אחרות” מוסיף שי "השימוש באפקט זינו הקוונטי מונע מהמערכת להתפתח ונועל אותה במצב קוונטי ספציפי (כפי שבפרדוקס הקלאסי אכילס לעולם לא מגיע אל הצב). במעבדה אפקט זינו מתבטא בצורה דינמית דרך התפתחות המערכת". באפקט הדינמי הצפייה עצמה חוסמת מהמערכת תת מרחב מתוך המרחב הראשוני בו התחילה. כתוצאה מכך אנו למעשה מגבילים את התפתחות המערכת למרחב מסוים (תת מרחב), בהקבלה ל"נעילת" מצב המערכת באפקט זינו. השער הייחודי הזה מאפשר פעולה לוגית רבת משתתפים (רבת קיוביטים) בפעולה אחת בלבד במקום לעשות הרבה פעולות לחיבור זוגות כפי שעושים בדרך כלל.
במקביל עובדים במעבדה על אופטימיזציה של מגברים קוונטיים הדרושים לעיבוד האות הקוונטי של המערכת. בהמשך מתכנן שי ניסוי להגדלת מספר המצבים הקוונטיים בדרכים חסכוניות הכוללות מניפולציות על שאר רכיבי המערכת. מטרה עתידית ייחודית תהיה לבנות קיוביטים חדשים עם חומרים מתקדמים. התקדמות מחקרית זו תהווה בעתיד גורם חשוב בהפיכת המחשב הקוונטי מחלום תיאורטי למטרה ברת השגה.
לאתר הבית של שי לחצו כאן
מאת אפרת סבח