מחשוב
קפיצת מדרגה קוונטית: השבב הקוונטי-פוטוני ההיברידי הראשון בעולם
עם גאות בהשקעות ופריצות דרך הולכות וגדלות, טכנולוגיית הקוונטים קרובה מתמיד להפוך למציאות.
על פי מקינזי, שלושת עמודי התווך העיקריים של טכנולוגיית הקוונטים, שהם מחשוב קוונטי, תקשורת קוונטית וחישה קוונטית, יַחַד יכול לייצר כמה שיותר $ 97 מיליארד דולר בהכנסות ברחבי העולם בתוך העשור הקרוב.
הטכנולוגיה עוסק ב עקרונות מכניקת הקוונטים ליצירת חדשנות טכנולוגיות שעולות על היכולות של טכנולוגיות קלאסיות.
אחת של מבטיח דרכים פיתוח טכנולוגיות קוונטיות הוא באמצעות פוטוניקה. זאת בשל תאימותו הטבעית עם חיבורים אופטיים לצורך פיזור שזירה, עמידותו בפני דה-קוהרנטיות בטמפרטורת החדר, ויכולתו להתכווץ לפורמט בקנה מידה של שבב..
פוטוניקה היא מדע האור (פוטונים) ועוסק ביצירה, זיהוי ומניפולציה של אור עבור יישומים שונים.
עבור מערכות קוונטיות-פוטוניות, פוטוניקה של סיליקון מציעה את הפלטפורמה הניתנת להרחבה ביותר. הם יכולים להיבנות באמצעות טכניקות ייצור מוליכים למחצה שפותחו בתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה המשלימה של תחמוצת מתכת-למחצה (CMOS), שכבר מייצרת שבבים בקנה מידה גדול.
בעוד שפוטוניקה של סיליקון עשויה בקרוב לשמש ליצור מספר עצום של קיוביטים פיזיים, נדרש להשגת עיבוד מידע קוונטי שימושי במכשירים אופטיים ממוזערים לייצור ו מניפולציה של מצבים קוונטיים של אור, ובניית מעגלים משולבים קוונטיים-פוטוניים מסיליקון בפועל, מציבה אתגרים רציניים.
הבעיות קשורות לערב-דיבור תרמי, אי-לינאריות של נושאי מטען חופשי וחימום עצמי, והצורך לנהל רגישות קיצונית לכל שינוי בטמפרטורה ובתהליך.
העניין הוא שכדי שמכשירים פוטוניים קוונטיים מסיליקון יפעלו כראוי, הם זקוקים לניטור מתמשך וכן לשליטה באמצעות מעגלים אלקטרוניים. So, אלקטרוניקה מגושמת מחוץ לשבב יש נעשה שימוש, אשר מטפלת חלקית בבעיות, אך זֶה גם גורם לויתור על יתרונות רבים של פלטפורמה בקנה מידה של שבבים.
על מנת לממש את מלוא הפוטנציאל של פוטוניקה מסיליקון כפלטפורמה לעיבוד מידע קוונטי, אנו מוכרח לפתור את צוואר הבקבוק הקלאסי של הבקרה.
אז, צוות חוקרים רב-תחומי הציג מערכת קוונטית אלקטרונית-פוטונית על שבב. הוא מפוברק בבית יציקה מסחרי למיקרואלקטרוניקה CMOS 45 ננומטר.
זֶה הוא השבב ההיברידי הראשון בעולם המשלב אלקטרוניקה, פוטוניקה וכוח קוונטי.
השימוש ב-CMOS הופך את המחקר לראוי לשבח עוד יותר. טכנולוגיית מוליכים למחצה זו היא אבן הפינה של האלקטרוניקה המודרנית. חברות כמו סמסונג, סוני, אינטל ו-TSMC משתמשות בה לייצור המוני של מוצרי אלקטרוניקה.
בינתיים, צומת ה-45 ננומטר מוכח וחסכוני. הוא גם תואם לתשתית הרחבה של ייצור סיליקון.
גישת הבקרה המשולבת והמודולרית במלואה שלהם, לדברי הצוות, "סוללת את הדרך לפוטוניקה קוונטית מסיליקון להשיג את קנה המידה העצום הנדרש לדורות עתידיים של מערכות מידע קוונטיות."
שיתוף פעולה בין-תחומי דוחף את הטכנולוגיה הקוונטית קרוב יותר למציאות
המחקר האחרון, המסמן גדול פריצת דרך בטכנולוגיית הקוונטים, נערכה על ידי חוקרים מאוניברסיטת ברקלי, אוניברסיטת בוסטון ואוניברסיטת נורת'ווסטרן.
"סוג שיתוף הפעולה הבין-תחומי שנדרש מעבודה זו הוא בדיוק מה שנדרש כדי להעביר מערכות קוונטיות מהמעבדה לפלטפורמות ניתנות להרחבה. לא היינו יכולים לעשות זאת ללא המאמצים המשולבים בתחומי האלקטרוניקה, הפוטוניקה והמדידות הקוונטיות."
– פרם קומאר, פרופסור להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת נורת'ווסטרן
המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע. פורסם ב-Nature Electronics, ה מחקר מפרט את המערכת1 אשר שילבה בהצלחה מקורות אור קוונטיים ואלקטרוניקה ייצובית על גבי שבב סיליקון יחיד, שיוצר באמצעות תהליך מוליכים למחצה סטנדרטי של 45 ננומטר.
השילוב הזה זה מה ש מאפשר לשבב לייצר זרמים של זוגות פוטונים מתואמים באופן קבוע, אשר יש לו הבסיס ליישומים קוונטיים שונים.
לכל שבב סיליקון יש מערך של "מפעלי אור קוונטיים", בסך הכל שנים עשר מקורות אור קוונטיים עצמאיים אשר מופעלים באמצעות אור לייזר. הם גם תלויים במהודים מיקרו-רינגיים כדי לייצר זוגות פוטונים. לכל אחד מהמקורות הללו יש ממד של פחות ממילימטר בכל כיוון..
זֶה מסמן צעד משמעותי לקראת פיתוח מערכות קוונטיות מורכבות יותר המורכבות משבבים מרובים המחוברים זה לזה וייצור המוני של שבבי "מפעל אור קוונטי". לדברי מחבר המחקר הבכיר מילוש פופוביץ', שהוא פרופסור חבר להנדסת חשמל ומחשבים ב-BU:
"מחשוב קוונטי, תקשורת וחישה נמצאים במסלול של עשרות שנים מרעיון למציאות. זהו צעד קטן בדרך זו - אך חשוב, משום שהוא מראה שאנחנו יכולים לבנות מערכות קוונטיות הניתנות לחזרה ושליטה בבתי יציקה מסחריים לייצור מוליכים למחצה."
כיום, בשלבי הפיתוח המוקדמים, טכנולוגיית הקוונטים שונה ממחשבים קיימים, המשתמשים בסיביות קלאסיות שהן אפס או אחת, על ידי שימוש סיביות קוונטיות (קווביטים).
קיוביטים אלה יכולים להתקיים בסופרפוזיציה של שני המצבים באותו הזמן, המאפשר למחשבים קוונטיים לבצע חישובים במקביל, בתורם, מוביל לתאוצות אדירות. כאן, סופרפוזיציה is קיומה של מערכת קוונטית במצבים מרובים בבת אחת.
פיצוח קוד המדרגיות בעזרת כוונון עצמי בזמן אמת
עכשיו, ישנן דרכים שונות ניתן ליישם טכנולוגיה קוונטית, ופוטוניקה היא אחת מהן, שבה נדרש זרם אור מבוקר, פוטונים בודדים או זוגות פוטונים שזורים, כדי לבצע את תפקידם.
זרמי אור קוונטי קבועים אלה מיוצרים באמצעות מכשירים כמו תהודה מיקרו-רינגית ונקודות קוונטיות.
תהודה מיקרו-רינגית היא התקנים פוטוניים מהונדסים מדויקת המאפשרים יצירת מצבי אור קוונטיים על גבי שבב. אלו הם יסודות חיוניים בפוטוניקה של סיליקון, שכן הם מציעים דרך יעילה מאוד להנחות אור בקנה מידה ננומטרי. זה מושג באמצעות לולאה. האור במעגל כדי להגיע לאורך גל ממוקד (תהודה).
כדי לייצר זרמי אור קוונטי בצורת זוגות פוטונים מתואמים, מהודים מיקרו-רינגיים צריך להיות מכוון בסנכרון עם אור הלייזר הנכנס המפעיל כל אור קוונטי מפעל על השבב. It משמש גם כדלק לתהליך הייצור.
עם זאת, המהוד רגישים מאוד לשינויים בטמפרטורה ובייצור. זֶה יכול לגרום להם להיות לא מסונכרנים ולשבש את הייצור הקבוע של אור קוונטי.
למנוע מה היא הפרעה ליצירת אור כאשר מהודים נדחפים מחוץ לסנכרון, הצוות בנה מערכת משולבת שמייצבת באופן פעיל מקורות אור קוונטיים על גבי שבב, באופן מיוחד, התהודה יצירת זרמים של פוטונים מתואמים. מקורות אור אלה נמצאים בכל שבב ופועלים במקביל.
"מה שהכי מרגש אותי הוא שהטמענו את הבקרה ישירות על השבב - ייצוב תהליך קוונטי בזמן אמת. זהו צעד קריטי לקראת מערכות קוונטיות ניתנות להרחבה."
– אנירוד ראמש, דוקטורנטית בנורת'ווסטרן שהובילה את מדידות הקוונטים
מעניין לציין, שהרגישות הקיצונית של מהודי המיקרו-רינג היא למעשה הבסיס למקורות אור קוונטיים, הסיבה לכך שניתן לייצר זרמי אור קוונטיים ביעילות ובשטח שבב מינימלי. עם זאת, אפילו שינויים קטנים בטמפרטורה יכולים להשפיע באופן משמעותי. תהליך יצירת זוג פוטונים.
כדי להתגבר על בעיה זו, החוקרים השתילו מערכת בקרה בזמן אמת ישירות על השבב. הם שילבו פוטודיודות בתוך כל מהוד בצורה ספציפית, מה שאפשר להם לנטר את הביצועים, ובמיוחד את היישור עם הלייזר הנכנס, תוך שמירה על דור האור הקוונטי.
בינתיים, תנורי חימום מיניאטוריים ולוגיקת בקרה על השבב מתאימים ללא הרף את התהודה בתגובה לסחיפה. לכן, גם כאשר התנאים משתנים, לולאת המשוב המובנית הזו שומרת על תהליך יצירת האור הקוונטי, וגורמת... שהמכשיר יתנהג בצורה צפויה.
הכוונון העצמי מאפשר לכל שנים עשר המהודים לעבוד יחד בסנכרון מושלם, ללא צורך בציוד ייצוב מגושם. זֶה זוהי נקודה חשובה, שכן זוהי דרישה מרכזית להרחבת מערכות קוונטיות. לדברי אימברט וואנג, דוקטורנט באוניברסיטת בוסטון שהוביל את תכנון המכשיר הפוטוני:
"אתגר מרכזי ביחס לעבודתנו הקודמת היה לקדם את תכנון הפוטוניקה כך שיעמוד בדרישות התובעניות של אופטיקה קוונטית, תוך שמירה על המגבלות המחמירות של פלטפורמת CMOS מסחרית. זה אפשר תכנון משותף של האלקטרוניקה והאופטיקה הקוונטית כמערכת מאוחדת."
המערכת כולה יוצרה בפלטפורמת שבב CMOS מסחרית של 45 ננומטר שפותחה בשיתוף פעולה בין BU, UC Berkeley, GlobalFoundries ו-Ayar Labs. הסטארט-אפ Ayar Labs מעורב ביצירת טכנולוגיה לשבבים המשתמשת בפולסי אור וגייס 155 מיליון דולר במימון הון סיכון מ-AMD Ventures, Intel Capital ו-Nvidia לפי שווי של מיליארד דולר, מה ש"מכין את הבמה לייצור בנפח גדול".
תהליך הייצור מאפשר חיבורים אופטיים מתקדמים עבור בינה מלאכותית ומחשוב-על, ועכשיו מערכות פוטוניות קוונטיות מורכבות על פלטפורמת סיליקון ניתנת להרחבה.
"מטרתנו הייתה להראות שניתן לבנות ולייצב מערכות פוטוניות קוונטיות מורכבות לחלוטין בתוך שבב CMOS. זה דרש תיאום הדוק בין תחומים שבדרך כלל לא מתקשרים זה עם זה."
- דניאל קרמניק, דוקטורנט באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, שהוביל את תחום תכנון, אריזה ואינטגרציה של שבבים.
ההסתמכות של השבב על מה היא טכניקות שכבר נמצאים בשימוש כלומר אין צורך ליצור הגדרות חדשות, בתורו, סלילת הדרך להרחבה מחשוב קוונטי.
| רכיב | פונקציה | מפתח תכונה |
|---|---|---|
| מקור אור קוונטי | יוצר זוגות פוטונים מתואמים | מופעל על ידי לייזר, בגודל של פחות מ-1 מ"מ מעוקב |
| מהוד מיקרורינג | מנחה אור בתהודה של המטרה | רגיש לשינויים תרמיים |
| פוטודיודות | יישור לייזר של צג | מוטמע בכל מהוד |
| תנורי חימום מיניאטוריים | שמירה על תהודה תרמית | תומך בכוונון עצמי בזמן אמת |
| לוגיקה בקרה | ניהול משוב וסנכרון | על גבי שבב לחלוטין, ניתן להרחבה |
השקעה במערכות קוונטיות
עולם טכנולוגיית הקוונטים מתקדם במהירות, ומתקרב למציאות עם כל שנה שעוברת. כאן, מכונות עסקיות בינלאומיות (IBM ) הוא בין המובילים המרחב, במיוחד בתחום המחשוב הקוונטי. לאחרונה, חוקרים מ IBM® וסטארט-אפ הקוונטי Pasqal פרסם נייר לבן2, שבה הם הניח ההגדרה של יתרון קוונטי, כיצד ניתן לאמת את הטענות באופן מדעי, ודרכים להשיג זאת.
מכונות עסקיות בינלאומיות (IBM )
החודש, IBM Quantum אף עבדה עם Moderna כדי לדמות את מבנה ה-mRNA באמצעות סימולציה קוונטית. לשם כך, הם השתמשו ב-80 קיוביטים של מעבד IBM Quantum Heron, שהפעיל אלגוריתם ייעודי במטרה "לשפר את בריאות האדם".
"אנו מאמינים שחשוב לחקור כל כלי זמין, כולל מחשוב קוונטי, כדי להגדיל את ההתקדמות שלנו היום, במקום לחכות שהטכנולוגיה תבשיל במלואה בעתיד."
– מנהל מדעי שותף לאלגוריתמים ויישומים קוונטיים במודרה, אלכסיי גאלדה
בחודש שעבר, IBM גם ביצעה גדול הכרזה על בניית מחשב הקוונטי הגדול הראשון בעולם זֶה היא צופה לספק ללקוחות בשנת 2029.
מחשב הקוונטים העמיד בפני תקלות, IBM Starling, יהיה חזק פי 20,000 ממחשבי הקוונטים הקיימים ו"ידרוש את הזיכרון של יותר מחמש מיליארד מחשבי-על החזקים ביותר בעולם".
על פי מפת הדרכים של החברה, הגעתו של סטארלינג היה בעקבות מספר אבני דרך, כולל ההדגמה הראשונה של 'יתרון קוונטי' בשנה הבאה, שבה מחשבים קוונטיים יתחיל ל לעלות מחשבים קלאסיים ביישומי מחשוב מעשיים.
אבל לפני כן, IBM Quantum Loon יצטרך הופעה ראשונה בהמשך השנה יחד עם שבב Nighthawk שלו. ומתישהו בשנה הבאה, IBM Quantum Kookabura תבוא בעקבותיה. זֶה, הכולל את המעבד המודולרי הראשון של החברה לאחסון ועיבוד מידע מקודד. לאחר מכן, IBM Quantum Cockatoo יעשה זאת להתגלגל החוצה בשנה שלאחר מכן, שהארכיטקטורה שלה "תחבר שבבים קוונטיים יחד כמו צמתים במערכת גדולה יותר, ותמנע את הצורך לבנות שבב גדול באופן בלתי מעשי".
מהדורות אלו יובילו בסופו של דבר להשקת Starling לפני ה- העשור נגמרהחידוש הזה מקווה להריץ "100 מיליון פעולות קוונטיות באמצעות 200 קיוביטים לוגיים".
עם סטארלינג, יבמ שואפת ל לפתור אתגרים מהעולם האמיתי, משהו טכנולוגיית הקוונטים עדיין לא הגיעה להישגים. לדברי מנכ"ל החברה, ארווינד קרישנה, מחשב הקוונטים שלהם גם "יפתח אפשרויות אדירות לעסקים".
על פי מפת הדרכים שלה, יעדי המחשוב הקוונטי של יבמ חורגים מעבר לסטארלינג. בלו ג'יי יהיה הדור השני של מערכת ISA למחשוב קוונטי עמיד בפני תקלות, אשר צפויה להגיע רק אחרי 2033. אז, פלטפורמת המחשוב עשויה להתרחב לעד מיליארד שערים ו-1 קיוביטים לוגיים.
בכל הנוגע לביצועי השוק של IBM, בעלת שווי שוק של 262 מיליארד דולר, שהיא ספקית של ענן היברידי גלובלי, בינה מלאכותית וייעוץ, מנייתה נסחרת כעת מעל 265 דולר, עלייה של 28.29% מתחילת השנה. החברה משלמת תשואת דיבידנד של 2.38%.
(IBM )
לאחרונה, החברה דיווחה על תוצאות הרבעון השני של 2, שהראו עלייה של 2025% בהכנסות ל-8 מיליארד דולר, 17 מיליארד דולר במזומנים נטו מפעילות שוטפת ותזרים מזומנים חופשי של 6.1 מיליארד דולר.
"שוב עלינו על הציפיות מבחינת הכנסות, רווח ותזרים מזומנים חופשי ברבעון." יבמ נותרה מאוד בידולית בשוק בגלל החדשנות העמוקה שלנו ומומחיות בתחום, שניהם חיוניים בסיוע ללקוחות לפרוס ולהרחיב את תחום הבינה המלאכותית. "ספר העסקים שלנו בתחום הבינה המלאכותית הגנרטיבית ממשיך לצמוח וכעת עומד על יותר מ-7.5 מיליארד דולר."
– מנכ"ל קרישנה
הכי מאוחר מכונות עסקיות בינלאומיות חדשות והתפתחויות במניות (IBM)
סיכום
טכנולוגיית הקוונטים מתקדמת במהירות, עושה את דרכו מרעיון לתעשייה ניתנת להרחבה, מונעת על ידי פריצות דרך כמו שבבים היברידיים קוונטיים-אלקטרוניים-פוטוניים.
על ידי שילוב מקורות אור קוונטיים, ייצוב אלקטרוניקה וייצור ניתן להרחבה בשבב יחיד, המחקר הצליח אופטימלית נוצר a תוכנית לעתיד הקוונטי. וכמו מערכות פוטוניות קוונטיות לשגשג, להצליח, להתקדם, השבבים ההיברידיים החדשים ביותר עשויים להפוך לבסיס של טכנולוגיות כמו חישה מתקדמת, רשתות תקשורת מאובטחות ומחשוב קוונטי.
עם יבמ שבונה מעבדי קוונטים ענקיים, הזמנים בהחלט מרגשים, כאשר העשור הבא נראה מצוין כנקודת מוצא שבה מחשוב קוונטי סוף סוף יביא להשפעה בעולם האמיתי.
לחצו כאן לרשימת חברות המחשוב הקוונטי המובילות לשנת 2025.
הפניות:
1. קרמניק, ד.; וואנג, א.; ראמש, א.; גורבני, מ.; פאטל, ו.; לין, י.; צ'וי, ה.; ליו, ק.; דאס, ר.; ג'נסן, ט.; נקמורה, ס.; לי, ג'.; באוורס, ג'.א.; פאראון, א.; אנגלונד, ד.; פיינטר, א.; ווצ'קוביץ', י. ייצוב משוב ניתן להרחבה של מקורות אור קוונטיים על שבב CMOS. טבע אלקטרוניקה, 8, (2025). פורסם באינטרנט ב-14 ביולי 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5
2. ליינס, או.; בג'י, מ.; Corcoles, AD; Dalyac, C.; Gambetta, JM; הנרייט, ל.; Javadi-Abhari, A.; קנדלה, א.; Mezzacapo, א. פורטר, סי; שלדון, ש.; ווטרוס, ג'; זופל, ג; דופין, א; Peropadre, B. מסגרת ליתרון קוונטי. arXiv preprint arXiv:2506.20658v2 [quant-ph] (2025). פורסם באינטרנט ב-14 ביולי 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658
