מעבד “הרפאים” הקוונטי הראשון

מדענים מאוניברסיטת ייל יצרו את מחשב “הרפאים” הראשון הקוונטי

קבוצה בהנהגת חוקרים מאוניברסיטת ייל יצרו את מעבד המצב-מוצק הקוונטי היסודי הראשון אי פעם. בזאת הם התקדמו צעד אחד קדימה לעבר החלום האולטימטיבי של בנית מחשב קוונטי – או במילות החרדה של אינשטיין, מחשב “רפאים” קוונטי…

בנוסף לבניה זו הם השתמשו בצ’יפ העל מוליך דו-קיוביט שלהם כדי להצליח ולהריץ שני אלגוריתמים. הם הדגימו עיבוד מידע קוונטי בעזרת רכיב מצב המוצק וכל זאת בפעם הראשונה. הממצא של הקבוצה הופיע אתמול במכתב שפורסם בכתב העת היוקרתי נייצ’ר.

“המעבד שלנו יכול לבצע רק מספר משימות קוונטיות פשוטות, שהודגמו כבר קודם לכן בעזרת גרעינים [בתהודה מגנטית גרעינית], אטומים ופוטונים בודדים, אמר רוברט שולקופף, פרופ’ לפיזיקה יישומית ופיזיקה מאוניברסיטת ייל. אולם הוא הוסיף, ש”זוהי הפעם הראשונה, שהם התאפשרו ברכיב שהוא כולו אלקטרוני, וגם נראה ומרגיש כמו מיקרו-מעבד שהוא רגיל למדי”.  

הפרופ’ לפיזיקה יישומית ולפיזיקה, סטיבן גריבין, יחד עם קבוצה של פיזיקאים תיאורטיים, יצרו מעבד על טהרת שני אטומים מלאכותיים או קיוביטים – ביטים קוונטיים. המעבד בנוי מחומר על-מוליך שמורכב מקרום ניאוביום על שבב תחמוצת האלומיניום כאשר חרטו עליו מרווחים. זרם יכול לבצע מנהור על פני מרווחים אלה – שזוהי תכונה קוונטית אופיינית, כאשר גלים וחלקיקים חוצים מחסומים מבלי לפרוץ אותם. שני הקיוביטים מופרדים בחריר שמכיל מיקרוגלים, והמערכת כולה מחוברת לזרם חשמלי. הרכיב עובד בטמפרטורה שהיא מעט מעל לאפס המוחלט ולכן דורש טכנולוגית קירור מיוחדת.

המעבד הדו-קיוביט 

 (Photo: Blake Johnson/Yale University)

מהו עיבוד מידע קוונטי?

כיום מערכות מידע דיגיטליות מייצגות 1-ים ו0-ים באמצעות מתגים חשמליים זעירים, שהם או במצב כבוי או דלוק, או בנוכחות או בהעדר האור. המידע ברכיב או בסיגנל אור כזה קרוי ביט.

בעיבוד מידע קוונטי מספר מצבים קוונטיים של חלקיקים קוונטיים או מערכות קוונטיות משמשים כביטים קוונטיים והם קרויים “קיוביטים”. למשל, פוטונים בודדים – הכמויות הקטנות ביותר של האור – יכולות להיות מועברות בכיוונים שונים בשדה החשמלי שלהן כדי לייצג 0 או 1.

הקיוביטים יכולים להיות צירופים גם של 0 וגם של 1 בו-זמנית, כתוצאה מהסופרפוזיציה של שני מצבים אפשריים. הקיוביטים יכולים גם להיות בקורלציה זה עם זה, אפילו במרחק – וזוהי השזירה הקוונטית. תכונות בלתי רגילות אלה הן שמקנות לתחום המידע הקוונטי את העוצמה שלו.

הקיוביטים יכולים לעבד הרבה יותר מידע מאשר הביטים הדיגיטליים של היום בגלל שהם יכולים להתקיים בסופרפוזיציה של שני מצבים קוונטיים, שברגע מסוים, הוא בעל קומבינציה של 0 ו-1 בו-זמנית. קיוביט יכול להיות בכל אחד מאינסוף מספר מצבי הסופרפוזיציה בזמן נתון, כל עוד לא מודדים אותו. זאת כאשר מצבי הסופרפוזיציה תמיד קורסים ל-0 או ל-1 כאשר מודדים את הקיוביט. המדענים יכולים לכן אפקטיבית למקם קיוביטים בריבוי מצבים בו-זמנית, וכך ניתן לאחסן יותר מידע ולקבל יותר עוצמת עיבוד.

בגרסה הקוונטית של האופרציה הלוגית על שני קיוביטים, הקיוביטים הם שזורים קוונטית. אם מודדים את אחד מהקיוביטים האלה, גורלו קשור לזה של הקיוביט האחר, אפילו אם השניים מופרדים במרחק גדול. אולם יש לשלוט היטב בשזירה כדי שהיא תהייה יעילה לעיבוד מידע, למרות שהיא מתרחשת ספונטאנית, וזוהי משימה מאוד מסובכת, שכן המדענים יודעים לשלוט במספר מועט של אטומים ופוטונים. שזירה קוונטית מבוקרת יכולה להציע דרך להעברת נתונים או לביצוע אינטראקציות מבוקרות על קיוביטים מרוחקים, כל עוד ערוץ תקשורת קלאסי הוא גם זמין. ולכן חידושים בניסויי שזירה קוונטית פותחים פתח להתקדמות במחשוב קוונטי.

הניסוי של הקבוצה מאוניברסיטת ייל

בניסוי הנוכחי של הקבוצה מאוניברסיטת ייל, בעוד שכל ביט קוונטי למעשה מורכב ממיליארד אטומי אלומיניום, הוא בעצם פועל כאילו הוא היה אטום בודד שיכול לאכלס שני מצבי אנרגיה שונים. מצבי אנרגיה אלה דומים למצבי ה-“1” ול-“0″ או לחילופין ל”דלוק” ול”כבוי” של הביטים שבהם משתמשים במחשבים רגילים.

החוקרים שלטו במערכת בעזרת “טון” מיקרוגל בעל תדירות שגורמת לקיוביטים להיהפך לשזורים. פולס מתח מיושם כדי לשלוט בזמן שבו שני הקיוביטים נותרים שזורים ובמצב של סופרפוזיציה. ככל שהשזירה ארוכה יותר כך היא מאפשרת לקיוביטים לעבד בעיות מורכבות יותר. הקבוצה הצליחה להשאיר את הקיוביטים שזורים למשך מיקרו-שנייה וזה שיפור לעומת הקיוביטים מלפני עשור שיכלו להישאר שזורים רק למשך ננו-שנייה. מיקרו-שנייה זה פי אלף זמן ארוך יותר, מספיק כדי להריץ שני אלגוריתמים פשוטים.

המערכת עיבדה אם כן שני אלגוריתמים שנכתבו במיוחד למערכות קוונטיות:

1) אלגוריתם החיפוש של גרובר (אלגוריתם הסתברותי שהומצא בשנות ה-60 על ידי לב גרובר). ניקח דוגמא מוחשית. אנחנו יודעים שיש לנו מספר טלפון של חבר, אבל לא את שמו. המעבד קורא את כל מספרי הטלפון בספר בבת אחת בשל תכונת הסופרפוזיציה כדי למצוא את התשובה הבודדת הנכונה. סוף התהליך הוא שהקיוביט יהיה במצב אחד ולא במצב סופרפוזיציה וייתן את התשובה. נניח שיש לנו ארבעה מספרי טלפונים, כולל מספר טלפון של חבר ואנחנו לא יודעים איזה מספר מבין הארבעה שייך לאותו חבר. באופן נורמאלי היינו מנסים לחייג בערך שלושה מספרים בטרם היינו מגיעים למספר הנכון של החבר. לעומת זאת, מעבד קוונטי יכול למצוא את המספר הנכון בניסיון הראשון. במקום לנסות ולחייג למספר אחד, ואז לעוד מספר ואז לעוד מספר…, מכניקת הקוונטים מאיצה את התהליך. מכניקת הקוונטים ממקמת כמו מעין שיחת טלפון אחת שבו-זמנית בודקת את כל ארבעת המספרים, וחולפת הישר למספר הנכון. המעבד של ייל הצליח למצוא את המספר הנכון ב-80 אחוז מהמקרים.

2) אלגוריתם פשוט יותר ודטרמיניסטי, הוא אלגוריתם דויטש-ג’וזה (שהוצע על ידי דייויד דויטש וריצ’רד ג’וזה בשנות ה-90). במבחינה מוחשית האלגוריתם בודק האם הטלת מטבע היא הוגנת או לא. אם רוצים לבחון בצורה קלאסית האם המטבע הוא הוגן (פאלי בכיוון אחד, עץ באחר) או מזויף (פאלי או עץ בשני הצדדים), זה דורש בחינה של כל צד. אולם המהלך האנלוגי הקוונטי שקרוי אלגוריתם דויטש-ג’וזה, דורש רק צעד בדיקה אחד. הוא מומש ניסויית למשל בעזרת טכניקות תהודה מגנטית גרעינית, כאשר משתמשים בספינים גרעיניים כקיוביטים. המעבד של ייל הצליח לבדוק האם הטלת המטבע היא הוגנת ב-90 אחוז מהמקרים.  

כדי לקרוא את התשובה הנכונה הצוות השתמש בטון מיקרוגל באותה התדירות כמו החריר במערכת. תלוי המצב הקיוביט, החריר יהיה בתהודה בתדירות מסוימת. אם הטון מועבר דרך החריר, הצוות ידע שהוא במצב הנכון.

הצוות מודע לכך שהדרך עוד ארוכה עד לבניית מחשב קוונטי. אולם הרכיב שהם בנו הוא צעד קדימה בכיוון זה. המכתב לנייצ’ר שפורסם אתמול:

Letter

Nature advance online publication 28 June 2009 | doi:10.1038/nature08121; Received 11 March 2009; Accepted 5 May 2009; Published online 28 June 2009

Demonstration of two-qubit algorithms with a superconducting quantum processor

L. DiCarlo1, J. M. Chow1, J. M. Gambetta2, Lev S. Bishop1, B. R. Johnson1, D. I. Schuster1, J. Majer3, A. Blais4, L. Frunzio1, S. M. Girvin1 & R. J. Schoelkopf1

1.     Departments of Physics and Applied Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06511, USA

2.     Department of Physics and Astronomy and Institute for Quantum Computing, University of Waterloo, Waterloo, Ontario N2L 3G1, Canada

3.     Atominstitut der Österreichischen Universitäten, TU-Wien, A-1020 Vienna, Austria

4.     Département de Physique, Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Québec J1K 2R1, Canada

Correspondence to: R. J. Schoelkopf1 Correspondence and requests for materials should be addressed to R.J.S. (Email: robert.schoelkopf@yale.edu).

Quantum computers, which harness the superposition and entanglement of physical states, could outperform their classical counterparts in solving problems with technological impact—such as factoring large numbers and searching databases1, 2. A quantum processor executes algorithms by applying a programmable sequence of gates to an initialized register of qubits, which coherently evolves into a final state containing the result of the computation. Building a quantum processor is challenging because of the need to meet simultaneously requirements that are in conflict: state preparation, long coherence times, universal gate operations and qubit readout. Processors based on a few qubits have been demonstrated using nuclear magnetic resonance3, 4, 5, cold ion trap6, 7 and optical8 systems, but a solid-state realization has remained an outstanding challenge. Here we demonstrate a two-qubit superconducting processor and the implementation of the Grover search and Deutsch–Jozsa quantum algorithms1, 2. We use a two-qubit interaction, tunable in strength by two orders of magnitude on nanosecond timescales, which is mediated by a cavity bus in a circuit quantum electrodynamics architecture9, 10. This interaction allows the generation of highly entangled states with concurrence up to 94 per cent. Although this processor constitutes an important step in quantum computing with integrated circuits, continuing efforts to increase qubit coherence times, gate performance and register size will be required to fulfil the promise of a scalable technology.

Advertisements

0 thoughts on “מעבד “הרפאים” הקוונטי הראשון

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s