הניסוי המטורף באוקספורד - שמקרב אותנו למחשב החזק בעולם

פיזיקאים מאוניברסיטת אוקספורד הצליחו ליצור סוג חדש ובלתי קונבנציונלי של סופרפוזיציות קוונטיות - תופעה שבה חלקיק יכול להימצא בכמה מצבים בבת אחת. בניסוי, שממצאיו פורסמו בכתב העת Physical Review X, החוקרים לא רק שיחזרו את "מצב החתול של שרדינגר", אלא הרכיבו אותו מאבני בניין אקזוטיות ודחוסות, שהן בעצמן בעלות תכונות קוונטיות קיצוניות שאינן קיימות בפיזיקה הקלאסית.

מחשוב קוונטי סטנדרטי מבוסס על קיוביטים - יחידות מידע שיכולות להיות 0, 1 או שניהם בו-זמנית. אולם, הטבע מציע מערכות מורכבות בהרבה. הפיזיקאים באוקספורד פנו לאוסילטורים הרמוניים קוונטיים, מערכות שיכולות להכיל רמות אנרגיה רבות ומגוונות (בדומה לתנודה של אור, ויברציות או תנועה של חלקיקים לכודים).

"החתול של שרדינגר" הוא הניסוי המחשבתי המפורסם ביותר בפיזיקה, אותו הגה הפיזיקאי ארווין שרדינגר בשנת 1935 כדי להמחיש את האבסורד שבתורת הקוונטים. לפי הניסוי, מציבים בתוך קופסה סגורה חתול, לצד מתקן קטלני המכיל אטום רדיואקטיבי בודד, פטיש ובקבוק רעל. אם האטום יתפרק - הפטיש יפגע בבקבוק, הרעל ישתחרר והחתול ימות; אם האטום לא יתפרק - החתול יישאר בחיים. על פי חוקי המכניקה הקוונטית, כל עוד הקופסה נשארת סגורה ולא ביצענו מדידה (לא הצצנו פנימה), האטום נמצא בסופרפוזיציה - כלומר, הוא גם התפרק וגם לא התפרק בו-זמנית. הנגזרת הלוגית של המצב היא שעד שלא נפתח את הקופסה, החתול נמצא במצב של חי ומת בעת ובעונה אחת. רק ברגע פתיחת הקופסה, המציאות נאלצת "לבחור", והמצב הקוונטי קורס לתוך אחת משתי האפשרויות.

תזכורת: כדי להגן על המחשב מפני טעויות, חברות נאלצות להשתמש ב"קודים לתיקון שגיאות". המשמעות כיום היא בזבוז עצום של משאבים. צריך אלפי קיוביטים פיזיים "פשוטים" רק כדי לייצר קיוביט לוגי אחד, יציב ומוגן.

במצב "חתול" קלאסי במעבדה, לוקחים מתנד (אוסילטור) כזה ומציבים אותו בסופרפוזיציה של שתי חבילות גלים הנעות בכיוונים מנוגדים. חבילות אלו נקראות "מצבים קוהרנטיים", והן מתנהגות הכי קרוב לפיזיקה קלאסית שרק אפשר.

החידוש של צוות אוקספורד, בהובלת ד"ר סבסטיאן סאנר, היה מהפכני. במקום להשתמש בגלים הסטנדרטיים האלה, הם פיסלו את ה"חתול" מרכיבים "מכווצים", שבהם אי-הוודאות הקוונטית מבוזרת בצורה לא שגרתית ומורכבת לחלוטין.

הניסוי התבסס על פלטפורמה של יון בודד לכוד - מערכת המשלבת שני עולמות: המצב הפנימי של היון מתפקד כקיוביט, בעוד שהתנועה הפיזית שלו מתפקדת כאוסילטור הרמוני.

החוקרים שזרו את המצב הפנימי של היון עם מספר מצבי תנועה אפשריים באמצעות פולסים מתוכננים בקפידה. בהמשך, הצוות ביצע מדידה של המצב הפנימי של היון באמצע התהליך. המדידה הזו גרמה לתנועת החלקיק "לקרוס" במכוון בדיוק לתוך הסופרפוזיציה האקזוטית שנבחרה עבורו.

"הגישה הזו העניקה לנו כלי ייחודי לפיסול הסופרפוזיציה הקוונטית כמעט לכל צורה שרצינו", הסביר ד"ר סאנר. כדי לוודא שמדובר בהתנהגות קוונטית אמיתית ולא בערבוב קלאסי אקראי, החוקרים שחזרו את המצבים וזיהו תבניות התאבכות ייחודיות ואזורים של "שליליות ויגנר" - חותמת גומי מתמטית ופיזיקלית לכך שמדובר במערכת קוונטית טהורה.

ההישג המדעי הזה הוא לא רק תרגיל מרשים בפיזיקה תיאורטית, אלא פתח ארכיטקטוני למחשבים הקוונטיים של המחר. כיום, המכשול הגדול ביותר של התעשייה הוא "רעש" סביבתי שגורם לאובדן המידע הקוונטי. כדי להתגבר על כך, נדרשים אלפי קיוביטים פיזיים רק כדי לייצר קיוביט לוגי אחד חסין שגיאות.

שימוש באוסילטורים הרמוניים ובמצבי חתול אקזוטיים מאפשר "לדחוס" הרבה יותר מידע ויציבות לתוך חלקיק בודד. המצבים החדשים שנוצרו באוקספורד מציגים חסינות משופרת באופן דרמטי מפני רעשים ושגיאות. המשמעות היא שניתן יהיה לבנות בעתיד מערכות תיקון שגיאות קוונטיות פשוטות, קטנות ורובוסטיות בהרבה, מבלי להזדקק לחוות ענק של מיליוני קיוביטים. בנוסף, להישג הזה יש משמעות מסחרית ואסטרטגית אדירה על מפת הדרכים של ענקיות הטכנולוגיה המפתחות חומרה קוונטית בשלוש פלטפורמות מרכזיות: קיוביטים סופר-מוליכים בצ'יפים קריוגניים, יונים לכודים, ופוטונים בחללים אופטיים.

בנוסף, השליטה המוחלטת בצורת הסופרפוזיציה תאפשר פיתוח של חיישנים קוונטיים רגישים להחריד ומדויקים יותר מכל מה שהכרנו, לצד הבנה עמוקה יותר של הגבול המטושטש שבין העולם הקוונטי לעולם הפיזיקלי היומיומי שלנו.

ה"חתול" החדש שנוצר באוקספורד מאפשר לפזר את המידע הקוונטי בצורה חכמה על פני תחומים רבים במערכת (מנגנון המכונה "קודי חתול"). במצב כזה, רעש או סטייה מקומית לא מחרבים את המידע כולו, אלא רק שבר קטן ממנו. המשמעות היא שאלגוריתמים יוכלו לתקן שגיאות בצורה קלה וזולה בהרבה. פריצת הדרך הזו עשויה לצמצם דרמטית את כמות הקיוביטים העודפים שצריך לייצר, ובכך להפוך את בנייתם של מחשבים קוונטיים מסחריים בקנה מידה רחב לכלכלית ובת-ביצוע הרבה יותר מוקדם מהצפוי.

כעת, חוקרים ומהנדסי חומרה במדינות נוספות ינסו לשחזר את הניסוי של אוקספורד ולבחון את עמידות המצבים החדשים הללו תחת סוגים שונים של רעשים תעשייתיים, בדרך לשילובם בארכיטקטורות המחשוב של העתיד.