החישוב הקוונטי הינו אחד מתחומי המחקר הפעילים ביותר בפיזיקה של ימינו. המחשבים הקלאסיים, מבוססים על יחידות בסיסיות הנקראות ביט (bit), המקבלות אחד משני ערכים 0 או 1. היחידה המקבילה בחישוב קוונטי נקראת Qbit. הQbit הינה מערכת קוונטית בעלת שתי רמות אנרגיה. הרמה הנמוכה (רמת היסוד) תפורש כערך - 0, ואילו הרמה הגבוהה (המעוררת) תפורש כערך 1. ככל מערכת קוונטית אחרת, הQbit יכולה להיות בסופר פוזיציה של שני המצבים הללו, מעין שילוב קוונטי של 0 ו 1.
נכון להיום, מוכרות רק מספר פעולות בודדות בהן יהיה מחשב קוונטי יעיל ממחשב קלאסי, אולם פעולות אלו הינן חשובות מעין כמוהן (פירוק מספר לגורמים ראשוניים (משימה שתאפשר את שבירת ההצפנה הנפוצה ברשתות תקשורת ציבוריות), הדמיה של מערכות קוונטיות מסובכות ופתרון שלהן ועוד). ועל כן מאמצים רבים מושקעים, והתקנים רבים מוצעים כמועמדים לתפקיד הQbit.
כאשר המדענים מחפשים מערכות קוונטיות אשר יכולות לשמש כ Qbit, עולות שתי דרישות חשובות:
א) יכולת קריאה של ערך הQbit, וביצוע פעולות לוגיות על ערך זה (אתחול לערך מסוים, היפוך הערך הקיים בQbit, וכו')
ב) זמן חיים ארוך של המידע. עקב אינטראקציה עם הסביבה המידע האצור בQbit צפוי להיהרס עם הזמן. על מנת שמערכת תוכל לשמש בQbit, עליה לשמר את המידע לזמן ארוך באופן משמעותי מן הזמן הנדרש לשם ביצוע פעולות לוגיות על הQbit.
לרוב שתי תכונות אלו אינן הולכות זו עם זו, ומערכת אשר נוחה לתפעול, גם סובלת מזמן חיים קצר ולהיפך. לאחרונה, הראו חוקרים מאוניברסיטת אוקספורד כי ניתן להתגבר על בעיה זו באמצעות מערכת מסובכת במעט, המכילה 4 רמות אנרגיה, אולם ניתן להפרידה לשתי תת מערכות, מערכת אחת נוחה לתפעול אך בעלת זמן חיים קצר, והיא תשמש כQbit בה יבוצעו פעולות על המידע. ואילו המערכת השנייה בעלת זמן חיים ארוך, אשר המידע יועבר אליה מן הQbit בסיום כל פעולה, ואשר תשמש כזיכרון קוונטי.
המערכת בה השתמשו החוקרים הינה אטום זרחן אשר מוכנס לגביש סיליקון (תהליך זה נקרא אילוח - doping). לזרחן חמישה אלקטרונים בקליפה החיצונית של האטום, ולאחר שארבעה משמשים לקשירת קשר עם אטומי סיליקון בגביש, נותר אלקטרון חופשי. בטמפרטורות נמוכות אלקטרון זה נשאר בסמוך לגרעין הזרחן
כאשר מפעילים שדה מגנטי באזור גביש הסיליקון, מתקבלת מערכת בת 4 רמות אנרגיה. רמות אלו וההבדל ביניהן נובעות ממצבי הספין השונים האפשריים של גרעין הזרחן, ושל האלקטרון (2 אפשרויות לגרעין עם כיוון השדה או בניגוד לכיוון השדה,2 אפשרויות לאלקטרון, גם כן עם או נגד כיוון השדה, כך שסה"כ ישנן 4 אפשרויות שונות לסדר את שני הספינים).
מערכת זו ניתנת להפרדה לוגית לשתי תת מערכות, ספין האלקטרון, וספין הגרעין. שתי מערכות אלו שונות זו מזו בתכונותיהן, את ספין האלקטרון נוח מאוד למדוד, ונוח לבצע עליו פעולות לוגיות. לעומת זאת הספין של הגרעין הינו בעל זמן חיים ארוך במיוחד. לכן מערכת זו הינה אידיאלית, ויכולה לשמש כשילוב של Qbit - הלו הוא ספין האלקטרון, המצומד לזיכרון קוונטי - ספין הגרעין.
החוקרים הדגימו, כיצד באמצעות חשיפת האלקטרון וגרעין הזרחן לקרינת רדיו, וקרינת מיקרוגל בתדרים מדויקים, הם מסוגלים להעביר את ערך הספין מן האלקטרון אל גרעין הזרחן, ולאחר מספר שניות (זמן חיים ארוך מאוד במושגי הספין של האלקטרון), להעביר באותו האופן את המידע בחזרה אל האלקטרון, ולקרוא אותו. (הסבר מפורט יותר של התהליך מוסבר בתמונה)
הישג זה פותח פתח לשימוש בזיכרון קוונטי על מנת להתגבר על זמן החיים הקצר ממנו סובלות Qbit אשר מבוססות על ספין האלקטרון. בשיטה זו חישובים יבוצעו במהירות באמצעות הQbit, ומיד לאחר מכן ערכן של הQbit ישמר בזיכרון הקוונטי, עד אשר יהיה צורך בו להמשך החישוב.
א) תיאור של המערכת - בצבע כחול מצב הספין של האלקטרון, בצבע אדום - מצב הספין של הגרעין. ביחד מתקבלת מערכת בת 4 רמות אנרגיה הממוספרות מ1 עד 4 בהתאם למופיע בציור. פולס של תדר מיקרוגל
באורך הגל ובמשך החשיפה המתאים (פאי פולס) יכול להפוך את אכלוס כל אחת מהמערכות (להעביר את מצב ספין מעלה למצב ספין מטה ולהיפך). פאי פולס של תדר רדיו 1 יכול להחליף בין אכלוס רמה 4 ו 2, ופאי פולס תדר רדיו 2 יכול להחליף בין אכלוס רמה 1 ו 3.
ב) תיאור העברת המידע. המערכת מאותחלת במצב כלשהו המכיל סופר פוזיציה של רמות 1 ו 2 - כלומר ספין הגרעין הינו במצב היסוד, מטה, וספין האלקטרון בסופר פוזיציה כלשהי של מעלה ומטה. (ניתן לתאר מצב זה באופן הבא a|1> + b|2> + 0|>3 + 0|4> כלומר יש אכלוס a למצב 1, אכלוס b למצב 2, ואין אכלוס למצבים 3 ו 4).
תחילה מופעל פאי פולס של תדר רדיו 1, וכתוצאה מכך אכלוס רמה 2 מתחלף עם אכלוס רמה 4 (כעת ניתן לתאר את המערכת כ a|1> + 0|2> + 0|3> + b|>4)
לאחר מכן מופעל פאי פולס של תדר מיקרוגל 1 וכתוצאה מכך אכלוס רמה 1 מתחלף עם אכלוס רמה 2 (כעת ניתן לתאר את המערכת כ 0|1> + a|2> + 0|3 + b|4).
המערכת מגיעה למצב הסופי שלה, שהינו סופר פוזיציה של רמה 4 ורמה 2, לעומת המצב ההתחלתי שהיה סופרפוזיציה של רמה 1 ו 2. (למעשה רמה 3 כלל לא השתתפה בתהליך). אם נשווה את המצב הסופי להתחלתי נוכל לשים לב לכך שספין הגרעין קיבל למעשה את ערכי האכלוס שהיו קודם לכן לספין האלקטרון, והוא שומר כעת על המידע. על ידי הפעלה של אותם פולסים, אך בסדר הפוך, ניתן להחזיר את המידע אל ספין האלקטרון.
ביבליוגרפיה
Solid-state quantum memory using the 31P nuclear spin
John J. L. Morton, Alexei M. Tyryshkin, Richard M. Brown Shyam Shankar, Brendon W. Lovett, Arzhang Ardavan, Thomas Schenkel, Eugene E. Haller, Joel W. Ager & S. A. Lyon
Nature 455, 1085-1088 (23 October 2008)
(הערה: הכתבה ניסתה להעביר את עיקרי הדברים של הניסוי המופיע במאמר זה. המאמר עצמו מכיל מידע רב אשר לא נכנס לכתבה, ומתאר את דרכי מדידת זמן החיים של המידע, את דרכי קריאת ואתחול המידע ב-Qbit ועוד מומלץ לקרוא)
מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
