מוליכות-על משולשת וקיוביטים קוונטיים

רוב האבות-טיפוסים הנוכחיים של מחשבים קוונטיים משתמשים בחומרים מוליכי-על כדי לבצע חישובים קוונטיים, מכיוון שחומרים אלה מסוגלים לשמור על תכונות קוונטיות יציבות יותר, כאשר האלטרנטיבה העיקרית היא מה שמכונה "מחשב קוונטי לכודים של יונים".

עד כה, רק מודלים של יונים לכודים הוכחו כאמינים מספיק, אך הם מוגבלים מאוד במספר הקיוביטים השימושיים שהם יכולים להכיל (המקבילה של מחשב קוונטי לביט של מחשב רגיל).

כמובן, האפשרות האידיאלית תהיה לשפר חומרים מוליכי-על כך שיהיו מתאימים לחישובים קוונטיים. ונעשו מאמצים מסוימים בכיוון זה, בעיקר עם ניתוח סריגו עם קיוביטים בעלי אורך חיים ארוך יותראבל עדיין, זה מוכיח את עצמו כלא מספיק כדי ליצור מחשבים קוונטיים מוליכי-על מסחריים וניתנים להרחבה.

תחום מתקדם נוסף במדעי המחשב הוא ספינטרוניקה, המשתמשת במאפיינים הקוונטיים של חלקיקים, ספין, במקום במטענים חשמליים כמו במחשוב אלקטרוני קלאסי. עד כה, מחשוב קוונטי וספינטרוניקה היו קשורים במידה מסוימת, אך לא חוברו ישירות, מכיוון שלחומרים מוליכי-על אין ספין. לפחות עד עכשיו.

(תוכלו ללמוד עוד על ספינטרוניקה) במאמר שלנו המוקדש לטכנולוגיה זו)

צוות חוקרים באוניברסיטה הנורבגית למדע וטכנולוגיה ובאוניברסיטה דלי סטודי די סלרנו (איטליה) גילו אולי מוליך-על משולש, סוג של מוליך-על בעל תכונות ספין ייחודיות.

סוג חדש זה של חומר מוליך-על יכול לשנות את כללי המשחק בבניית מחשבים קוונטיים מוליכי-על. הם פרסמו את ממצאיהם ב-Physical Review Letters, תחת הכותרת "חשיפת מוליכות-על טריפלטית פנימית ב-NbRe לא צנטרוסימטרי באמצעות אפקטים הפוכים של שסתום ספין".

"מוליך-על משולש נמצא גבוה ברשימת המשאלות של פיזיקאים רבים העובדים בתחום פיזיקת המצב המוצק. חומרים שהם מוליכי-על משולשים הם סוג של 'גביע קדוש' בטכנולוגיית הקוונטים, וליתר דיוק, במחשוב קוונטי."

פרופסור יעקב לינדר – האוניברסיטה הנורווגית למדע וטכנולוגיה

בינתיים, צוות חוקרים נוסף במכון נילס בוהר באוניברסיטת קופנהגן, באוניברסיטה הנורבגית למדע וטכנולוגיה, במכון ליידן למדעי המחשב מתקדמים (הולנד), באוניברסיטת צ'אלמרס לטכנולוגיה (שוודיה), באוניברסיטת רגנסבורג (גרמניה) ובחברה מכונות קוונטיות גילו כיצד לפתור פגמים, בעיה מרכזית המטרידה חומרים מוליכי-על, בעזרת צורה חדשה של גילוי תנודות יעיל.

הם פרסמו את ממצאיהם ב-Physical Review X2, תחת הכותרת "מעקב אדפטיבי בזמן אמת אחר קצבי הרלקסציה משתנים בקיוביטים מוליכי-על".

מוליכי-על טריפלט

החלק כדי לגלול →

למה זה משנה?

בתיאוריה, ספין יכול להיות מדיום מושלם להעברת מידע קוונטי בין קיוביטים ובין מחשבים קוונטיים שונים.

הבעיה היא שבצורתה הנוכחית, הטכנולוגיה פשוט לא יציבה מדי והעברת המידע מורכבת מדי מכדי להיות שימושית בפועל.

עם זאת, ייתכן שזה לא יהיה נכון אם הייתה לנו גישה למוליכי-על משולשים. הסיבה לכך היא שהם יכולים להעביר ספין ללא אובדן אנרגיה, כך שהחלקיקים המוליכים-על נושאים כעת איתם ספין.

"מוליכי-על משולשים מאפשרים מספר תופעות פיזיקליות יוצאות דופן. לתופעות אלו יישומים חשובים בטכנולוגיית קוונטים ובספינטרוניקה."

פרופסור יעקב לינדר – האוניברסיטה הנורווגית למדע וטכנולוגיה

אז בעוד שמוליך-על סינגלטי רגיל יותר יכול לשאת הספק ללא התנגדות, מוליך-על טריפלטי יכול גם לשאת זרמי ספין עם התנגדות אפסית לחלוטין. כתוצאה מכך, מחשב קוונטי או ספינטרוניק יכול להיות מהיר במיוחד ובמקביל לפעול כמעט ללא צורך בחשמל כלל!

סגסוגות ניוביום-רניום

בעבודתם, גילו החוקרים כי NbRe, סגסוגת ניוביום-רניום, מציג התנהגות האופיינית למוליך-על משולש.

ליתר דיוק, הם מצאו "אפקט שסתום ספין הפוך", מקרה פרטי של מגנטו-התנגדות ענקית, תכונה מגנטית של חומרים רב-שכבתיים, שתגליתה זיכתה את המחקר בפרס נובל לשנת 2007.

אין זו, כשלעצמה, הוכחה לכך ש-NbRe הוא מוליך-על משולש, אך היא בהחלט מוכיחה שהוא אינו מתנהג כפי שמוליך-על סינגלט קונבנציונלי אמור להתנהג.

פוטנציאל לטווח ארוך

לתגלית זו פוטנציאל נוסף מכיוון ש-NbRe זמין בקלות בצורת שכבה דקה, ופשטות המבנה ההטרוגני הופכת אותו לברת קיימא במיוחד כפלטפורמה פוטנציאלית ניתנת להרחבה עבור ספינטרוניקה מוליכה-על.

בנוסף, החומר פועל כמוליך-על בטמפרטורה גבוהה יחסית (לפחות לפי סטנדרטים של חומרים מוליכי-על), או רק 7 מעלות צלזיוס מעל האפס המוחלט ב-273.15- מעלות צלזיוס (459.67- מעלות פרנהייט), בעוד שרוב החומרים המועמדים האחרים זקוקים לטמפרטורה נמוכה של מעלה אחת מעל האפס המוחלט.

עם זאת, גם ניוביום וגם רניום הן מתכות יקרות ונדירות, ולכן הן לא יהפכו ישירות למחשבים קוונטיים זולים יותר.

הצעד הבא יהיה לאשר את הממצאים הללו ולבצע בדיקות נוספות המצביעות על מוליכות-על משולשת.

מוליכי-על טריפלט יכולים לשמש גם ליצירת סוג אקזוטי מאוד של חלקיק הנקרא "חלקיק מייג'ורנה", שהוא אנטי-חלקיק בפני עצמו. לכן, הוא יכול לבצע חישובים במחשב קוונטי בצורה יציבה.

כפי שגם חוקרים אחרים מתקרבים למינוף חלקיקי מיורנה ולמיקרוסופט כבר יש שבב עם מצבי אפס של Majorana (MZM), נראה שזהו כיוון מבטיח יותר ויותר לקידום עתידי של מחשוב קוונטי.

גילוי פגמים בחומר קוונטי

שינויים מהירים מדי

החומרים שבהם משובצים קיוביטים מציגים לעיתים קרובות פגמים האחראים לחוסר האמינות של הקיוביט. פגמים אלה יכולים להשתנות במרחב במהירות רבה, לפעמים מאות פעמים בשנייה.

לכן, השיטה הנוכחית לגילוי פגמים אלה, שיכולה להימשך עד דקה, אינה מספקת לחלוטין כדי לזהות אותם. למעשה, איש לא ידע בדיוק כמה מהר זה קרה עד עכשיו.

במקום זאת, חוקרים נאלצים למדוד קצב אובדן אנרגיה ממוצע, שלעתים קרובות נותן תמונה לא שלמה של הביצועים האמיתיים של הקיוביט.

כתוצאה מכך, מחשבים קוונטיים המסתמכים על מוליכות-על צריכים להסתמך על "טריקים" רבים כדי עדיין להצליח לבצע את החישוב שלהם, גם כאשר, פעמים רבות, הקיוביט סבל מדה-קוהרנטיות, מבלי שהמשתמש יוכל לזהות זאת.

שימוש במחשבים קלאסיים כדי לעזור

כדי להאיץ את גילוי הפגמים, החוקרים השתמשו ב-FPGA (Field-Programmable Gate Array), בקר ייעודי. שבבים ייעודיים אלה אינם גמישים כמו אלה המשמשים במעבדים או במעבדים גרפיים, אך הם ייעודיים במיוחד, מהירים הרבה יותר במשימה ספציפית ופחות צורכים אנרגיה.

על ידי הרצת הניסוי ישירות על ה-FPGA, הם יכלו לגבש "ניחוש הטוב ביותר" לגבי המהירות שבה הקיוביט יאבד את האנרגיה שלו, בהתבסס על קומץ מדידות בלבד.

למרות שזה נראה כמו פתרון ברור מאליו, תכנות נכון של ה-FPGA היה מאתגר מאוד, במיוחד אם ה-FPGA צריך להיות מעט גמיש.

השיטה שבה השתמשו היא שהשבב מעדכן את ה"ידע" הפנימי שלו, הנקרא מודל בייסיאני, לאחר כל מדידה של קיוביט.

מקור: סקירה גופנית X

זה איפשר למערכת להתאים באופן רציף את האופן שבו היא למדה על מצב הקיוביט בצורה יעילה ככל האפשר.

"הבקר מאפשר אינטגרציה הדוקה מאוד בין לוגיקה, מדידות והזנה קדימה: רכיבים אלה אפשרו את הניסוי שלנו."

פרופסור חבר מורטן קיארגארד - מכון נילס בוהר

לקראת כיול בזמן אמת

עד כה, תעשיית המחשוב הקוונטי נאלצה פשוט "לקוות" שהקיוביטים שלה עדיין עובדים, ועבדה קשה כדי להפחית את ההסתברות והמהירות של דה-קוהרנטיות.

אבל גישה חדשה זו פותחת את הדרך לחישוב תוך בחירה אקטיבית של קיוביטים אמינים, אפילו עם חומרים שאינם מושלמים.

"בעזרת האלגוריתם שלנו, חומרת הבקרה המהירה יכולה לזהות במדויק איזה קיוביט הוא 'טוב' או 'רע', בעצם בזמן אמת. אנו יכולים גם לאסוף נתונים סטטיסטיים שימושיים על הקיוביטים 'הרעים' תוך שניות במקום שעות או ימים."

פרופסור חבר מורטן קיארגארד - מכון נילס בוהר

בטווח הארוך, זה יפתח תחום מחקר חדש, שבו הבנה טובה יותר של מה הופך קיוביט אינדיבידואלי ל"רע", במקום להסתמך על ממוצעים וניחושים.

סיכום

כמו בשחר האלקטרוניקה, התקדמות המחשוב הקוונטי תגיע ממגוון רחב של כיוונים.

היבט חשוב אחד יהיה ייצור חומרים מוליכי-על טובים יותר, שיוכלו ליצור קיוביטים יציבים ועמידים יותר. ואולי גם להעביר מידע בצורת זרם ספין מוליך-על בו זמנית.

בינתיים, שיפור הזיהוי של הדה-קוהרנטיות של קיוביט נתון יכול לספק שיטה מונעת-חיישנים ותוכנה לשיפור משמעותי של הביצועים מבלי להסתמך על חומרים מורכבים או קשים לייצור.

השקעה בחדשנות בתחום המחשוב הקוונטי

מיקרוסופט

בעוד שמיקרוסופט ידועה בעיקר בזכות הנוכחות החזקה מאוד שלה במערכות הפעלה עם חלונות, היא גם מפותחת בתחומים טכנולוגיים רבים אחרים.

לדוגמה, היא המובילה בפתרונות עסקיים, כולל Office (Outlook, Word, Excel ו-PowerPoint), אך גם שיחות לחברה (Teams), אחסון משותף בענן (OneDrive), Visio (דיאגרמות, תרשימים), Loop (סביבת עבודה שיתופית) ו-Access (בסיס נתונים).

למרות שהיא אינה המובילה בתחום שירותי הענן (הנשלטת על ידי AWS של אמזון), מיקרוסופט מהווה 20% מתשתית הענן העולמית באמצעות פלטפורמת Azure שלה, סכום גדול כמו נתח המניות המשולב של גוגל + עליבאבא + אורקל.

מקור: Statista

מיקרוסופט היא גם הבעלים של לינקדאין, גיטהאב, אקסבוקס, ורבים מאולפני משחקי הווידאו הגדולים בעולם.

כשמדובר בבינה מלאכותית, מיקרוסופט התמקדה יותר במקרים של שימוש טכני ויישומים עסקיים מאשר אפליקציות צרכניות, בעיקר עם תוכנית AI4Science, על AIs שימושיים למחקר מדעי.

זה כולל, למשל, האצת עבודתם של מדעני חומר לתכנון מולקולות חדשות או אלקטרודות סוללות על ידי שימוש בינה מלאכותית מצמצמת 32 מיליון חומרים פוטנציאליים ל-500,000 מועמדים, ולאחר מכן ל-800 תוך פחות מ-80 שעות.

מקור: מיקרוסופט

חברות כמו יוניליוור כבר משתמשות ב"כימיה גנרטיבית" זו כדי להאיץ את התגליות המדעיות שלהן.

עד עכשיו, בכל הנוגע למחשוב קוונטי, נראה היה שמיקרוסופט מפגרת בהשוואה לגוגל או יבמ; היא הציעה שירותי ענן מחשוב קוונטי עם קוונטית תכולה. השירות יכול גם להציע "מחשוב היברידי", ערבוב מחשוב קוונטי עם שירות מחשבי-על מסורתי מבוסס ענן.

מקור: מיקרוסופט

כאשר מיקרוסופט הוציאה את השבב שלה מבוסס החלקיקים Majorana בתחילת 2025, החברה הפכה לאחת המובילות העולמיות בתחום המחשוב הקוונטי.

עם חומרים חדשים כמו מוליכי-על משולשים או אפשרויות חדשות לכיול בזמן אמת, סביר להניח שמיקרוסופט תוכל להמשיך להתקדם ולשלב את הכלים החדשים הללו במחשבים הקוונטיים שלה.

(אפשר גם לקרוא המאמר שלנו שם את הזרקור על מיקרוסופט כולה ביתר פירוט כדי להבין טוב יותר את החברה).

חדשות והתפתחויות אחרונות במניות מיקרוסופט (MSFT)

מחקר שאליו התייחס

^{1. פ. קולנג'לו ואחרים, חשיפת מוליכות-על טריפלטית פנימית ב-NbRe לא צנטרוסימטרי באמצעות אפקטים הפוכים של שסתום ספין. Phys. Rev. Lett. 135, 226002 – פורסם ב-25 בנובמבר 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/q1nb-cvh6
2פבריציו בריטה ואחרים. מעקב אדפטיבי בזמן אמת אחר קצבי הרלקסציה משתנים בקיוביטים מוליכי-על. Phys. Rev. X 16, 011025 – פורסם ב-13 בפברואר, 2026. DOI: https://doi.org/10.1103/gk1b-stl3}