מראות תוצאות מחקר של קיוביט מוליך-על חדש, שפורסמו בכתב העת Nature Communications
קיוביטים מוליכים-על
מודלים חישוביים מסורתיים מסתמכים עלפתרונות פיזיקליים התואמים את חוקי המכניקה הקלאסית. כך פועלים, למשל, רוב המעבדים המודרניים. מחשוב קוונטי משתמש בתופעות המתרחשות בקנה מידה של אטומים וחלקיקים תת-אטומיים כדי לתקשר ולעבד מידע.
ישנם מודלים שונים של מחשוב קוונטי,עם זאת, הפופולריים ביותר כוללים שימוש בקיוביטים ושערים קוונטיים. נזכיר כי קיוביט היא מערכת עם שני מצבים אפשריים, שיכולים להיות באחד מהם או בסופרפוזיציה של שניהם. שער קוונטי הוא מרכיב בסיסי במעגל דיגיטלי המבצע פעולה לוגית אלמנטרית. הוא מתאר כיצד ישתנה מצב הקיוביטים, תוך התחשבות בערכים ההתחלתיים, לאחר החלת חוק מסוים עליהם.
מכיוון שהשפעות קוונטיות מופיעות רק בבקנה מידה קטן במיוחד, יצירת קיוביטים ושערים היא משימה קשה ביותר. מבין הגישות הרבות לבניית מחשבים קוונטיים שימושיים, קיוביטים מוליכים-על צברו את הפופולריות הגדולה ביותר. כדי ליצור אותם, מהנדסים משתמשים בטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט, שבהן מתחילות להופיע השפעות קוונטיות ברמת המאקרו. לדוגמה, הטכנולוגיה הזו היא המשמשת את המעבדים הקוונטים של IBM שהוצגו לאחרונה המכילים שיא של 433 קיוביטים.
זוג קופר וטרנסמון
במוליך-על, רוב נושאי הטעינההם זוגות קופר. זהו מצב קשור של שני אלקטרונים המקיימים אינטראקציה דרך פונון. יש לו אפס ספין ומטען השווה פי שניים מהמטען של אלקטרון. חלקיקים אלה, הפועלים כמכלול, משמשים למחשוב קוונטי.
קיוביט הטעינה הפשוטה ביותר, או בלוקזוגות קופר הוא אלמנט שמצבו קובע את נוכחותם או היעדרם של עודפי זוגות קופר באי. רכיב כזה נוצר על ידי אי מוליך זעיר המחובר בצומת ג'וזפסון למאגר מוליך. בצומת זה, הזרם הקריטי מדוכא, וזרם מנהרה זורם דרך שכבה דקה מבודדת או שאינה מוליכת-על בין שני המוליכים.
מצב הקיוביט תלוי במספרזוגות קופר שעברו דרך החיבור. אפקט המנהור משמש לתכנון מתנדים אנהרמוניים קוונטיים הפועלים כקיוביטים.
תרשים סכמטי של מעגל קיוביט טעינה. האי נוצר על ידי אלקטרודה מוליכת-על בין קבל השער לקיבול הצומת. תמונה: ETH
קיוביטי טעינה נעשים באמצעותטכנולוגיות דומות לאלו המשמשות במיקרואלקטרוניקה. המכשירים נוצרים בדרך כלל על פרוסות סיליקון או ספיר תוך שימוש בליתוגרפיה של אלומת אלקטרונים ואידוי סרט מתכת דק.
במקרה זה, נוצרים צמתים ג'וזפסון עםבאמצעות אידוי צל. זהו תהליך שבו מתכת האם מתאדה לסירוגין בשתי זוויות דרך מסכה מוגדרת ליטוגרפית בהתנגדות קרן אלקטרונים. כתוצאה מכך נוצרות שתי שכבות חופפות של מתכת מוליכת-על, ביניהן מונחת שכבה דקה של מבודד.
למרות שקיוביטים כאלה די קל להכין איתםבאמצעות טכנולוגיה בוגרת המשמשת במחשבים קלאסיים, החסרונות שלהם כוללים דה-קוהרנטיות מהירה (התמוטטות של הסתבכות) בהשפעת רעש חיצוני. כדי שמחשבים קוונטיים יבצעו חישובים שימושיים, המידע שהם מכילים חייב להיות קרוב ל-100% מדויק. רעש טעינה הנגרם על ידי חוסר השלמות של הסביבה החומרית בה נמצאים הקיוביטים משפיע לרעה על דיוק המידע.
מכשיר IBM המורכב מארבעה טרנסמונים. תמונה: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
כדי להגדיל את ה"חיים" של קיוביטים כאלה, בבשנת 2007, חוקרים מאוניברסיטת ייל סיכמו את המערכת ויצרו את הטרנסמון. זהו גוש של זוגות קופר, שבו צומת ג'וזפסון משודרים בנוסף עם קבל קיבולי גדול. הירידה ברגישות לרעש קיבולי הביאה לעלייה של זמן הקוהרנטיות מ-1-2 ns עבור בלוק של זוגות קופר לכמעט 100 ns עבור טרנסמון.
Unimon הוא קיוביט מוליך-על חדש
איור אומנותי של אומוניון במעבד קוונטי. תמונה: אלכסנדר קאקינן, אוניברסיטת אלטו
למרות התקדמות משמעותית בפיתוחמחשוב קוונטי, עיצובים ושיטות קיוביט הנמצאות כיום בשימוש אינם מספקים ביצועים גבוהים מספיק לשימוש מעשי נרחב. המורכבות של החישובים המיושמים מוגבלת בעיקר על ידי שגיאות באלמנטים קוונטיים עם קיוביט אחד ושני.
כדי לפתור בעיה זו, חוקריםפיתח סוג חדש של קיוביט מוליך-על. הם משלבים אנהרמוניות מוגברת (סטייה של האנרגיה של המערכת מ"תנודות" הרמוניות), חוסר רגישות מוחלטת לרעש DC, רגישות מופחתת לרעש מגנטי ומבנה פשוט.
המכשיר מורכב מג'וזפסון אחדצומת המנוגד על ידי משרן ליניארי, וקבל הפועל במצב בו האנרגיה האינדוקטיבית מפוצה בעיקר על ידי אנרגיית ג'וזפסון. מאפיין זה מביא לרמה גבוהה של אנהרמוניות עם חסינות מלאה לרעש טעינה בתדר נמוך והגנה חלקית מפני רעשי זרימה, מציינים החוקרים.
להדגמה הניסיונית של האונימון, מדעניםשבבים מעוצבים ומיוצרים, שכל אחד מהם מורכב משלושה קיוביטים unimon. הם השתמשו בניוביום כחומר המוליך, למעט מגעים של ג'וזפסון, שבהם המוליכים המוליכים היו עשויים מאלומיניום.
שמאלה:תמונה מיקרוסקופית בצבע מלאכותי של שבב סיליקון המכיל שלושה unimons (כחול) יחד עם חללי הקריאה שלהם (אדום), קווי הינע (ירוק) וקו חיבור הבדיקה (צהוב). מימין: מערך ניסוי פשוט המשמש למדידת unimons. תמונה: Eric Hyppä וחב', Nature Communications
עם המכשירים שלהם, מדענים השיגודיוק מ-99.8% ל-99.9% עבור שערים של 13 ns קיוביטים בודדים בשלושה קווים unimon שונים. החוקרים מציינים שבגלל האהרמוניות או האי-לינאריות הגבוהים יותר מאשר בטרנסמונים, ניתן לעבוד על אומוניונים מהר יותר, וכתוצאה מכך פחות שגיאות בכל פעולה.
Unimons הם פשוטים מאוד אך יש להם יתרונות רבים.מול הטרנסמונים. העובדה שה-unimon הראשון שנוצר אי פעם עבד כל כך טוב פותחת הרבה מקום לאופטימיזציה ולפריצות דרך גדולות.
מיקו מטונן, פרופסור לטכנולוגיה קוונטית באוניברסיטת אלטו
החוקרים ימשיכו לעבוד על שיפורים בעיצוב, חומרים וזמני שער unimon לחרוג מהיעד של 99.99% דיוק כדי ליצור יתרון קוונטי שימושי ותיקון שגיאות יעיל במכשירים מעשיים המבוססים על מספר רב של קיוביטים.
קרא עוד:
התיאוריה העיקרית של מוצא האדם הופרכה: מאיפה באנו
תוצאות ניסוי ראשון בתרופות לסרטן פורסמו
8 מיליארד אנשים חיים כיום על כדור הארץ: האם אוכלוסיית יתר מאיימת על כדור הארץ?