קיוביטים של מילי-שניות מסמנים פריצת דרך בטכנולוגיית הקוונטים

פריצת דרך בקיוביטים מוליכי-על בקנה מידה של מילי-שניות

מחשבים קוונטיים יכולים לחולל מהפכה באופן שבו אנו מבצעים קריפטוגרפיה, מחשבים סימולציות מורכבות כמו תצורה תלת-ממדית של חלבונים, וכנראה שיהיו להם יישומים רבים נוספים שאנחנו בקושי מנחשים כיום.

כדי לתפקד, הם זקוקים ל"קיוביטים" יציבים ככל האפשר, המרכיב הבסיסי של חישוב קוונטי. עד כה, רק מחשבי קוונטים "יונים לכודים" הצליחו לייצר קיוביטים יציבים ביותר. אבל טכנולוגיה זו קשה יותר מטבעה להרחבה מאשר קיוביטים מוליכי-על.

אז בעוד שקיוביטים מוליכי-על עשויים להיות עתידה של טכנולוגיה זו, נדרש שיפור ביציבות זמן הקוהרנטיות של הקיוביטים שלהם.

זה בדיוק מה שהשיגו צוות גדול של חוקרים מאוניברסיטת פרינסטון. הם יצרו סוג של קיוביטים מוליכי-על שיכולים לשמור על קוהרנטיות במשך יותר ממילישנייה, פי 3 יותר מהטובים ביותר שתועדו אי פעם.

הם פרסמו את ממצאיהם בכתב העת Nature¹, תחת הכותרת "אורך חיים של מילישניות וזמני קוהרנטיות בקיוביטים של טרנסמון דו-ממדיים".

גבול הקוהרנטיות של קיוביטים

כדי לבצע חישוב קוונטי, מחשב קוונטי צריך לשמור על "קוהרנטיות", מצב קוונטי מיוחד שהוא פגיע ביותר להפרעות מהסביבה. באופן כללי, רעש תרמי ותנועת חלקיקים נוטים להרוס קוהרנטיות תוך ננו-שניות.

בתנאים מיוחדים, כמו תנאים קרים במיוחד, אורך חייו של קיוביט יכול להימשך זמן רב יותר. אך עדיין, קוהרנטיות ארוכה מספיק היא מגבלה משמעותית עבור רוב מחשבי הקוונטים כיום, מה שמוביל לשגיאות חישוב שלא רק מפחיתות את קיבולת החישוב הכוללת, אלא גם לא ניתן לפצות עליהן בקלות באמצעות שדרוגי תוכנה.

לכן, קביעת איזה חומר מסוגל לשמור על קוהרנטיות לאורך זמן רב יותר היא צעד מפתח קדימה שיש לעשות לפני שמגיעים לשלב המסחרי של תעשיית המחשוב הקוונטי.

"האתגר האמיתי, הדבר שמונע מאיתנו להחזיק במחשבים קוונטיים שימושיים כיום, הוא שאתה בונה קיוביט והמידע פשוט לא נשמר לאורך זמן."

זוהי הקפיצה הגדולה הבאה קדימה."

אנדרו הוק, דיקן ההנדסה של פרינסטון

כיצד חוקרים הרחיבו את קוהרנטיות קיוביטים של טרנסמון

החוקרים השתמשו באותו סוג של קיוביטים מוליכי-על בהם משתמשים חברות כמו גוגל או יבמ במחשב הקוונטי שלהן, tקיוביטים של רנסמון.

לקיוביטים של טרנסמון יש את היתרון של אמינות גבוהה (נאמנות שער של קיוביט בודד העולה על 99.9%), אפשרות לייצור בקנה מידה גדול, ועם זמני קוהרנטיות גבוהים של 0.1 מילישניות.

זה מבטיח, אבל זמן הקוהרנטיות עדיין קצר מדי.

אז כאשר חוקרי פרינסטון הכריזו שהצליחו ליצור קיוביט שנמשך 1.68 אלפיות השנייה בממוצע, זהו שיפור עצום.

מקור: טבע

זהו משך קיוביט ארוך פי 3 מהטוב ביותר שנוצר אי פעם במעבדה, וחזק פי 15 מזה המשמש חברות פרטיות המפתחות מחשבים קוונטיים.

מדוע טנטלום וסיליקון משפרים את הקוהרנטיות הקוונטית

טנטלום מגביר קוהרנטיות

כדי להשיג תוצאה זו, החוקרים השתמשו בשני שיפורים שונים בחומר בו נעשה שימוש.

ראשית, הם השתמשו במתכת בשם טנטלום כשכבת בסיס כדי לעזור למעגלים השבירים לשמר אנרגיה. הסיבה לכך היא שפגמים זעירים ומוסתרים על פני השטח במתכת יכולים ללכוד ולספוג אנרגיה בזמן שהיא נעה.

זה בעייתי במיוחד ככל שמוסיפים יותר קיוביטים לשבב, סוג זה של שגיאה מתרבה עד כדי כך שהוא הופך לחסר תועלת מעבר למספר מסוים.

מיקרוסקופ אלקטרונים סורקים (STEM) שימש לאישור המבנה הסדיר ביותר של גבישים קוביים של טנטלום.

מקור: טבע

בהשוואה למתכות כמו אלומיניום, לטנטלום יש הרבה פחות פגמים, והוא עמיד מאוד לתהליכי ניקוי קשים המשמשים להסרת זיהומים.

"אפשר לשים טנטלום בחומצה, ועדיין התכונות לא משתנות."

פארנק בהרמי - מחקר באוניברסיטת פרינסטון

גידול טנטלום ישירות על סיליקון היה אתגר שדרש מאמץ רב להתגבר עליו.
החלק כדי לגלול →

סיליקון מחליף ספיר

מקור נוסף לאובדן אנרגיה המוביל לאובדן קוהרנטיות הוא מצע הספיר המשמש בשבבים קוונטיים.

במקום זאת, החוקרים השתמשו בסיליקון איכותי (בעל התנגדות גבוהה), חומר סטנדרטי נפוץ בתעשיית המחשוב המסורתית.

יחד, שיפורים אלה בחומרים המשמשים בפלטפורמת טנטלום-על-סיליקון זו גרמו לשערי קיוביט יחיד שהתקבלו להשיג דיוק של 99.994%.

מפריצת דרך במעבדה לשבבים קוונטיים ניתנים להרחבה

החוקרים המשיכו להשתמש בשיטתם כדי לבנות שבב קוונטי מתפקד במלואו, שעולה על כל העיצובים הקודמים.

מכיוון ששיעור השגיאות הוא כפלי, שיפור מסוג זה גדל באופן אקספוננציאלי עם גודל המערכת. כתוצאה מכך, לשיפור של פי 10-15 בשיעור השגיאות עבור קיוביטים בודדים יש השפעה גדולה בהרבה על מחשב מרובה קיוביטים.

חשוב לציין, קיוביט כזה אינו מושג חדש ואקזוטי, אלא פשוט קיוביט מוליך-על "מסורתי" המשתמש בחומר שונה, כך שניתן לשלב אותו בקלות במחשבים קוונטיים קיימים ולהשתמש בו על ידי תוכנות מחשוב קוונטיות קיימות.

"החלפת הרכיבים של פרינסטון במעבד הקוונטי הטוב ביותר של גוגל, שנקרא ווילו, תאפשר לו לעבוד פי 1,000 טוב יותר."

היתרונות של קיוביט פרינסטון גדלים באופן אקספוננציאלי ככל שגודל המערכת גדל, כך שהוספת קיוביטים נוספים תביא תועלת גדולה עוד יותר."

אנדרו הוק, דיקן ההנדסה של פרינסטון

משמעות הדבר היא שהתכנון של פרינסטון יכול לאפשר למחשב היפותטי של 1,000 קיוביט לעבוד טוב יותר פי מיליארד בערך.

יתרה מזאת, השימוש בטנטלום וסיליקון פירושו ששיטת הייצור מתאימה לאלו שכבר בשימוש בתעשיית המוליכים למחצה, מה שהופך ייצור המוני לאבן דרך קלה בהרבה להשגה מאשר טכנולוגיה חדשה לחלוטין.

נראה כי מחקר זה מצביע על כך ששבבי סיליקון קוונטיים, אשר דנו בו קודם לכן, ככל הנראה הכיוון הנכון עבור תעשיית המחשוב הקוונטי.

ביחד עם מקורות אור קוונטיים טובים יותר, שבבים קוונטיים-פוטוניים היברידיים, ו האפשרות לשאת מידע קוונטי יחד עם זרימת נתוני תקשורת רגילה, צעדים אלה לעבר מחשבים קוונטיים גדולים בהרבה מראים שהטכנולוגיה מגיעה במהירות לבשלות מסחרית.

השקעה בחדשנות בתחום המחשוב הקוונטי

1. Alphabet Inc.

גוגל פעילה מאוד בתחום המחשוב הקוונטי, בעיקר באמצעות מעבדת גוגל קוונטית לבינה מלאכותית וקמפוס קוונטית לבינה מלאכותית בסנטה ברברה.

מחשב הקוונטים של גוגל עשה היסטוריה בשנת 2019 כאשר טען שהשיג "עליונות קוונטית" בעזרת מכונת ה-Sycamore שלה. המכונה ביצעה חישוב ב-200 שניות שהיה לוקח למחשב-על קונבנציונלי 10,000 שנים.

זה מתגמד עכשיו מול ביצועי השבב החדש ביותר שלו, שנקרא Willowזהו שבב המחשוב הקוונטי הראשון שיש לו שיעור שגיאות נמוך מספיק כך שככל שמוסיפים יותר קיוביטים, כך מקבלים פחות שגיאות. זה הופך אותו לעיצוב השבב הקוונטי הראשון שניתן להרחבה.

אבל אולי התרומה הגדולה ביותר של גוגל תהיה בתחום התוכנה, פעילות שבה יש לה רקורד מרשים, למעשה טוב יותר מאשר בחומרה (חיפוש, G Suite, אנדרואיד וכו').

כבר עכשיו, הבינה המלאכותית הקוונטית של גוגל מעמידה לרשותכם חבילת תוכנות שנועדו לסייע למדענים בפיתוח אלגוריתמים קוונטיים.

הוא גם דוגל בגלוי ב"חוקרים, מהנדסים ומפתחים שיצטרפו אלינו למסע הזה על ידי בדיקה שלנו תוכנת קוד פתוח ומשאבים חינוכיים, כולל שלנו קורס חדש על Coursera, שבו מפתחים יכולים ללמוד את היסודות של תיקון שגיאות קוונטי ולעזור לנו ליצור אלגוריתמים שיכולים לפתור את בעיות העתיד."

הודות לגישה הפתוחה הזו, גוגל מובילה כעת הן בתחום החומרה והן בתחום פתרונות הענן שלה. גוגל עשויה להיות אחת החברות שקובעות את הסטנדרטים של תוכנת מחשוב קוונטי ותכנות קוונטי, מה שמעניק לה עמדה מועדפת לכוון את התפתחותו העתידית של התחום.

בינתיים, פתרונות בינה מלאכותית, כולל המכונית האוטונומית של Waymo, עשויים להפוך למניע ההכנסות החדש של אלפבית, שעדיין מחזיקה בעמדה דומיננטית באופן מסיבי בתעשיות החיפוש והפרסום.

ניתן ללמוד עוד על הפעילויות של גוגל שאינן קשורות לתחום הקוונטי, ובמיוחד על פרסומות ובינה מלאכותית, בדוח הייעודי שלנו מדצמבר 2024.

חדשות וההתפתחויות האחרונות במניות האלפבית (GOOGL)

מחקר שאליו התייחסו:

^{1. Bland, MP, Bahrami, F., Martinez, JGC ואחרים. אורך חיים של מילי-שניות וזמני קוהרנטיות בקיוביטים טרנסמוניים דו-ממדיים. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}