ההפתעה של המחשוב הקוונטי: חלקיקים מוזרים הוכיחו שהם יכולים לבצע כל חישוב

אחת הבעיות הגדולות של המחשבים הקוונטיים היא שהם נוטים לטעות. חוקרים מאוניברסיטת שיקגו, מהרווארד, מאוניברסיטת סטוני ברוק ומחברת Quantinuum הראו עכשיו דרך אחרת להתמודד עם זה, באמצעות חלקיקים מוזרים שנקראים אניונים לא-אבליים. המחקר, שפורסם בכתב העת Nature, הוא ההדגמה הניסויית הראשונה לכך שאפשר לבצע בעזרתם את כל סוגי הפעולות שמחשב קוונטי אוניברסלי צריך.

"הדגמנו סט שערים אוניברסלי", הסביר רובן ורסן, פרופסור להנדסה מולקולרית באוניברסיטת שיקגו ואחד ממחברי המחקר. "אם שומרים מידע בגרסאות המלאכותיות האלה של קווארקים ומזיזים אותן, אפשר לבצע כל חישוב קוונטי שרוצים". את הניסוי ביצעו החוקרים על מעבד H2 של Quantinuum, שמבוסס על יונים לכודים, בעזרת 54 קיוביטים שזורים.

אניונים לא-אבליים לא קיימים בטבע כחלקיקים עצמאיים. החוקרים יוצרים אותם בתוך המעגל הקוונטי, כשהם שוזרים הרבה קיוביטים רגילים למצב קולקטיבי שמתנהג כמו סוג חדש של חלקיק. לכל אניון יש מצב פנימי שמשתנה כשמזיזים אותו סביב אניון אחר, תהליך שנקרא "קליעה". הסדר של תנועות הקליעה משנה את התוצאה, ומכאן השם "לא-אבלי". וכיוון שהמידע מפוזר על פני קיוביטים רבים, הוא מוגן באופן טבעי מחלק מההפרעות הקטנות שהורסות קיוביטים רגילים.

לדלג על השלב היקר

למה זה חשוב? בגלל בעיית תיקון השגיאות. בדרך כלל מגנים על מידע קוונטי על ידי פיזור שלו על פני הרבה קיוביטים פיזיים. אבל השיטות הנפוצות לא מאפשרות לבצע את כל הפעולות על המידע המוגן, ולכן משתמשים ב"מצבי קסם", משאב מיוחד שדורש תהליך זיקוק כבד שיכול לבלוע חלק גדול מהקיוביטים של המחשב.

להרחבה: מחשב קוונטי הראה איך חלקיקים חדשים נוצרים מאנרגיה - כמו רגע אחרי המפץ הגדול

בניסוי קודם, ב-2024, יצר חלק מאותו צוות אניונים מסוג אחר, אבל הם לא הספיקו לחישוב אוניברסלי. הפעם עברו החוקרים לסוג שקשור לסימטריות של משולש שווה צלעות, ושילבו קליעה עם פעולה נוספת שנקראת "היתוך": מקרבים שני אניונים ומודדים את המצב שנוצר. השילוב הזה אפשר לייצר מצב קסם ישירות, בלי הזיקוק היקר. לדברי הנריק דרייר מ-Quantinuum, הקודים האלה עוד עשויים להפתיע במרוץ לתיקון שגיאות קוונטי.

45 שנה של חיפוש

הרעיון של מחשב קוונטי הוצע כבר ב-1981 בידי הפיזיקאי ריצ'רד פיינמן. את המונח "אניון" טבע ב-1982 פרנק וילצ'ק, לימים חתן פרס נובל, לחלקיקים שיכולים להתקיים בעולם דו-ממדי. בתחילת שנות ה-2000 הציעו תיאורטיקנים להשתמש בהם לחישוב קוונטי טופולוגי, והשיטה שנוסתה עכשיו הוצעה עוד ב-2003 בידי קרלוס מוצ'ון, אז סטודנט של ג'ון פרסקיל ממכון קלטק.

הדרך לא הייתה חלקה. מיקרוסופט הימרה במשך שנים על חלקיקים קרובים, מיורנה, ומאמר מרכזי שלה נמשך ב-2021 מכתב העת Nature אחרי שנמצאו בו בעיות. החוקרים עצמם מודים שהניסוי החדש עדיין לא כלל תיקון שגיאות פעיל, ושמדובר בהוכחת היתכנות. השלב הבא יהיה לשלב את הפעולות האלה עם תיקון שגיאות, ואם זה יצליח, אניונים עשויים להפוך לבסיס למחשבים קוונטיים גדולים ואמינים. כתבנו כאן מדריך מלא למחשוב קוונטי.