הזיכרון הישראלי של המחשב הקוונטי

המרוץ לפיתוח מחשבים קוונטיים ממשיך בכל רחבי העולם. מדענים ממכון ויצמן למדע פיתחו לאחרונה מערכת שמסוגלת לשמור מידע באמצעות חלקיקי אור יחידים ולפלוט אותו מחדש על פי דרישה. רכיבים כאלה יוכלו לשמש לשמירת נתונים או להעברתם בהתאם לצורך במחשבים העתידיים.

מחשב קוונטי הוא הכינוי למערכת שמורכבת מרכיבים קוונטיים ומסוגלת לעשות חישובים מורכבים במהירות. הרעיון נולד בשנות ה-80 כשהפיזיקאי האמריקאי ריצ'רד פיינמן החל לקדם אותו.

העיקרון הוא זה: במחשב רגיל, יחידת החישוב הקטנה ביותר היא ביט, והיא יכולה להיות בעלת ערך של 0 או , כלומר "כבוי",  או "דולק", שזה ערך של 1. לעומת זאת, במחשב קוונטי משתמשים בביט קוונטי (או בקיצור קיוביט) שלא חייב להיות רק 0 או 1 אלא יכול להיות במצב של סופרפוזיציה של 0 ו-1. בנוסף אפשר ליצור תלות בין הקיוביטים באמצעות שזירה קוונטית, וכך למדוד את כולם בבת אחת. טכנולוגיה כזאת אמורה לייעל מאוד את החישובים ולפתור בעיות שמחשב רגיל לא מסוגל לחשב. "אמורה", משום שהדעות עדיין חלוקות על היכולות התיאורטיות של מחשב קוונטי עתידי.

מדענים מנסים מגוון שיטות ורכיבים במטרה לבנות מערכת כזאת, ולאחרונה נכנסו לתחום גם תאגידים ענקיים כמו גוגל ומיקרוסופט. ליצירת הקיוביטים משתמשים ברכיבים בעלי רמות אנרגיה בדידות (קוונטיות) כמו אטומים לכודים, לולאות של מוליכי-על או חלקיקי אור (פוטונים).

במחשב קלאסי משתמשים ברכיבים אלקטרוניים ומזרימים בהם זרם חשמלי כדי לקבוע אם הביט יהיה במצב 0 או 1. במחשב קוונטי צריך לתמרן את הרכיב כך שיהיה ברמת האנרגיה הנכונה ולפי זה קובעים אם הוא 0, 1 או שילוב כלשהו שלהם. זו כבר משימה הרבה יותר קשה, מכיוון שהקיוביט רגיש מאוד לרעשים חיצוניים ולא נשאר זמן רב ברמת האנרגיה הרצויה. כדי לשלוט בקיוביט משתמשים באמצעים כמו לייזרים, שדות חשמליים, או שדות מגנטיים.

זיכרון שאפשר לקרוא

כמו בכל מחשב, גם מחשב קוונטי זקוק לרכיב של זיכרון, שמשמר את המצב הקיים ואפשר לגשת אליו בכל עת ולקרוא אותו. רן פינקלשטיין ועמית המחקר ד"ר אילון פואם ממעבדתו של פרופ' עופר פירסטנברג במחלקה לפיזיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, פיתחו מערכת שיכולה לשמש לאחסון חלקיקי אור יחידים ולפלוט אותם בזמן מסוים. רכיב כזה יכול לשמש זיכרון או לסנכרן בין פוטונים במערכות תקשורת קוונטיות.

החוקרים נעזרו באטומי רובידיום ובהבזקי לייזר קצרים מאוד. בעזרת תבנית מתוחכמת הצליחו לאחסן במערכת פוטון אחד של אור למשך 86 ננו-שניות (מיליארדיות השנייה) ולגרום לאטומים לפלוט אותו בעזרת הבזק לייזר נוסף. אטומי הרובידיום יכולים לבלוע פוטון מהלייזר ולעלות לרמת אנרגיה גבוהה יותר, או לפלוט פוטון לרדת לרמת אנרגיה נמוכה יותר. בניסוי השתמשו החוקרים במעבר דו-פוטוני, כלומר האטומים עברו מרמה נמוכה לרמה גבוהה יותר על ידי בליעה של שני פוטונים בו-זמנית.

שני הפוטונים הללו באו משני לייזרים שהבזיקו יחד לפרק זמן קצר מאוד. לייזר אחד היה חזק מאוד והשני חלש מאוד ועבד בצורה אקראית, כך שרק לפעמים הוא פלט אור וגם אז היה רק פוטון אחד בכל הבזק שלו. אטומי הרובידיום בלעו את הפוטון מהלייזר החלש ופוטון אחד מהלייזר החזק ועלו לרמת אנרגיה גבוהה יותר. לאחר זמן מה שלחו הבזק נוסף של הלייזר החזק והאטומים פלטו את הפוטון של הלייזר החלש, בתהליך שנקרא "פליטה מאולצת". כך הם אחזו למעשה את האנרגיה של הפוטון מהלייזר החלש ואפשרו לו לפלוט אותה בזמן רצוי.

שיפור משמעותי

המלכוד הוא שלא הכול מושלם והאטומים עלולים לפלוט את הפוטון החלש באופן ספונטני גם בלי הבזק מהלייזר. לכן הזיכרון איננו אינסופי ושומר על מצבו למשך כמה עשרות ננו-שניות בלבד. זה אמנם נשמע מעט, אך בעזרת מערכת פשוטה יחסית עם רעש רקע נמוך, שאיננה דורשת קירור לטמפרטורות נמוכות מאוד, החוקרים הציגו שיפור משמעותי בזמן האחסון של הפוטונים לעומת מערכות מתחרות.

בעזרת המערכת אפשר גם לסנכרן כמה פוטונים כדי שייפלטו ביחד. הפוטונים יכולים להגיע מלייזרים שונים שאינם מסונכרנים, להישמר באטומי הרובידיום, ואז אפשר להוציא את כולם בבת אחת בפליטה מאולצת. מערכת כזאת תוכל לשמש זיכרון קוונטי לכמה קיוביטים ביחד או למערכות תקשורת קוונטיות שיעבירו פוטונים יחידים.