שתי אלפיות שנייה: לראשונה נצפתה קפיצה קוונטית של צליל
חוקרים בסטנפורד בנו תהודן מכני זעיר שהחזיק רטט שתי אלפיות שנייה, והספיקו לבצע בתוכו מאות מדידות רצופות. כך הם תפסו את הרגע שבו יחידת הרטט הקטנה ביותר האפשרית נעלמה מהמערכת, תופעה שתועדה עד היום ביונים לכודים ובחלקיקי אור בלבד. התוצאה נוגעת ישירות לאחת הבעיות היקרות של המחשוב הקוונטי
תהודן מכני שיוצר בשיטות של תעשיית השבבים החזיק רטט במשך שתי אלפיות שנייה, זמן שנחשב עצום ברכיבים מהסוג הזה. במזלג קול בגודל רגיל זה היה שקול לצליל שממשיך לרעוד שעות. בתוך החלון הקצר הזה ביצעה קבוצת מחקר מאוניברסיטת סטנפורד מאות מדידות רצופות, ותפסה בזמן אמת את הרגע שבו יחידת הרטט האחרונה שנותרה במערכת נעלמה.
הממצא פורסם בכתב העת סיינס, והוא הראשון מסוגו בעולם המכני. קפיצה קוונטית, מעבר חד בין רמות אנרגיה בלי שלבי ביניים, תועדה כבר ב-1986 ביונים לכודים וב-2007 בחלקיקי אור. ברטט של גוף חומרי היא נשארה תרגיל שמתקיים על הנייר, בין השאר מפני שרכיבים מכניים מאבדים את האנרגיה שלהם מהר מדי מכדי שאפשר יהיה לעקוב אחרי אירוע בודד.
מה בעצם קפץ שם?
פונון הוא כמות האנרגיה הקטנה ביותר שרטט יכול לשאת, המקבילה המכנית של הפוטון בעולם האור. מערכת כזאת מאבדת אנרגיה בקפיצות שלמות ולא בזרם רציף: היא מחזיקה פונון אחד, ואז אפס. בניסויים קודמים המעבר הזה הוסק מממוצע של אלפי ריצות חוזרות, והפעם הוא תועד כאירוע יחיד בזמן שהתרחש.
הוויכוח על עצם קיומן של הקפיצות מלווה את הפיזיקה יותר ממאה שנה. מודל האטום שהציע נילס בוהר ב-1913 הניח שאלקטרונים מדלגים בין מסלולים במנות בדידות, ארווין שרדינגר ראה ברעיון הזה כשל של התיאוריה, והמחלוקת הוכרעה במעבדה כמעט שבעים שנה אחר כך. הניסוי הנוכחי מרחיב את התשובה מחלקיקים בודדים אל גוף חומרי שיושב על שבב.
ב-2010 קוררה לראשונה מערכת מכנית עד מצב היסוד הקוונטי שלה, ומאז נוספו הצמדה של רטט לקיוביטים על-מוליכים ושליטה במספר הפונונים שהמערכת מחזיקה. מעקב בזמן אמת אחרי אירוע בודד נשאר החלק החסר.
כדי להגיע לשם חיברו החוקרים את התהודן המכני לקיוביט על-מוליך שתפקד כגלאי. שני הרכיבים יוצרו בנפרד והולבשו זה על זה בתהליך הדבקה, מפני שחומר פיזואלקטרי שמונח ישירות על מעגל על-מוליך פוגם באיכות שלו ומקצר את חיי הרטט. המדידה נשענת על רצף פולסים שקורא את הזוגיות של המצב המכני ומשיב על שאלה אחת: יש פונון או אין. לפי הערכת הצוות כ-99% מהמדידות הותירו את המצב הנמדד על כנו, ולכן אפשר היה לחזור עליהן מאות פעמים ולבנות יומן רציף של האירוע.
ההבדל בין תהודן מכני לקיוביט רגיל הוא צפיפות המידע. קיוביט על-מוליך סטנדרטי נושא שתי רמות אנרגיה, ולכן מחשב שמתקן את השגיאות של עצמו נזקק לעשרות ולעיתים מאות רכיבים פיזיים לכל יחידת מידע לוגית אחת. תהודן מכני מחזיק סולם ארוך של רמות אנרגיה בתוך רכיב יחיד וזעיר, ומכאן העניין בקודים לתיקון שגיאות שנשענים עליו. זיהוי של קפיצה בודדת ברגע שהיא מתרחשת הוא התנאי המקדים לכל תיקון כזה.
מערכת תיקון שגיאות פעילה צריכה גם לפענח מה הקפיצה עשתה למידע השמור וגם להפעיל תיקון בתוך זמן קצר בהרבה מזמן החיים של הרכיב, שעומד כאן על שתי אלפיות שנייה. הצפייה בקפיצה היא החוליה הראשונה מבין השלוש, ושתי האחרות נותרו פתוחות.
למה תעשייה שלמה מחכה לזה?
תיקון שגיאות הוא המכשול המרכזי בין מעבדות המחקר לבין מחשב קוונטי שימושי. שבב ווילו של גוגל, שנושא 105 קיוביטים, הדגים מצב שבו הוספת קיוביטים פיזיים מקטינה את שיעור השגיאה הלוגי במקום להגדיל אותו, והוא נחשב לציון דרך בתחום. כל גישה שמצמצמת את מספר הרכיבים הדרושים ליחידה לוגית אחת מקצרת את הדרך הזאת. להרחבה: מחשב קוונטי הצליח לדמות חלבון של 12,000 אטומים.
- IonQ מעלה תחזית אחרי רכישת SkyWater ומרחיבה את הפעילות בסייבר וברשתות
- פסקל כמעט הכפילה את עצמה ביום המסחר הראשון - ומאז יורדת 3 ימים ברצף
המסלולים המתחרים בתחום מחולקים היום בין קיוביטים על-מוליכים, יונים לכודים ופוטונים, וכל אחד מהם משלם מחיר אחר בזמן הקוהרנטיות, בקצב הפעולה ובקושי הייצור. רכיבים מכניים נכנסו לזירה מאוחר יותר, והיתרון שלהם הוא גודל: תהודן אקוסטי קטן בסדרי גודל מקיוביט על-מוליך, ואפשר לייצר רבים ממנו על שבב יחיד בתהליכים שכבר קיימים בתעשיית השבבים.
הממשל האמריקאי מזרים מיליארד דולר למפעל הקוונטי של יבמ, קוונטינום הונפקה לפי שווי של 14.3 מיליארד דולר, והערכות ענף מדברות על שוק בהיקף טריליוני דולרים בתוך עשור. הפער בין הצפי הזה לבין מה שמערכות קוונטיות מסוגלות לעשות היום הוא שמסביר את התנודתיות החדה במניות הסקטור. להרחבה: מניות הקוונטים חוזרות לזנק - הייפ מוגזם או הזדמנות?
תהודן שמגיב לשינוי מסה זעיר יכול בעיקרון להצביע על חלבון בודד בתוך תא חי, ושיתוף פעולה בכיוון הזה של חישה ביולוגית נרקם עם מכון קלטק. קרוב יותר לצרכן נמצאים מסנני גלים אקוסטיים, רכיבים שיושבים בכל טלפון סלולרי ומפרידים בין תדרי שידור, ושליטה מדויקת יותר ברטט עשויה לשפר את הביצועים שלהם.
גלאי גלי הכבידה כבר עובדים בשוליים האלה: מראות במשקל עשרות קילוגרמים מגיעות שם לגבול שבו רעש קוונטי מגביל את המדידה. אלא שבגלאים מודדים תנועה ממוצעת של גוף גדול, וכאן נספרה יחידת רטט אחת ויחידה.
הניסוי רץ בטמפרטורה של מילי-קלווינים ספורים, קרוב לאפס המוחלט, בתוך מקרר דילול שמחירו מאות אלפי דולרים ושתופס חדר שלם. הרטט שרד שתי אלפיות שנייה, וחישוב קוונטי שלם ידרוש להחזיק אותו זמן ארוך בהרבה.
