פריצת דרך: חוקרים השיגו שזירה קוואנטית בין ליבות של שני אטומים

לפעמים, קשר יכול להיווצר במקום שאי אפשר לראות או לגעת בו – בין שני אטומים זעירים, במרחק כה קטן שהוא נמדד בננומטרים בלבד, נוצר חיבור שמאתגר את ההיגיון שלנו ומחולל אפשרויות מדעיות שנראו עד לא מזמן בלתי אפשריות. עולם הקוואנטום נפתח כאן ממש מול עינינו, ושם, בין הגרעינים הזעירים, נרקמת השזירה הקסומה שמובילה אל עתיד המחשוב.

שזירה קוואנטית – שנדחתה בעבר על ידי אלברט איינשטיין כ”פעולה מפחידה מרחוק” – קוסמת כבר זמן רב לדמיון ומסקרנת מדענים מנוסים. אך עבור העוסקים בקוואנטום כיום, המציאות היא הרבה יותר יומיומית: שזירה היא סוג של קשר בין חלקיקים ומהווה את התכונה המרכזית של מחשבים קוואנטיים.

למרות שהמכשירים הללו עדיין בראשית דרכם, השזירה היא זו שתאפשר להם לבצע דברים שמחשבים קלאסיים אינם יכולים, כמו סימולציה משופרת של מערכות קוואנטיות טבעיות – מולקולות, תרופות או קטליזטורים.

במחקר חדש שפורסם במגזין Science, חוקרים הציגו שזירה קוואנטית בין שתי גרעינים אטומיים המופרדים בכ-20 ננומטר. ייתכן שזה לא נשמע הרבה, אך השיטה שבה הם השתמשו היא פריצת דרך מעשית ורעיונית, שעשויה לסייע בבניית מחשבים קוואנטיים באמצעות אחת המערכות המדויקות והאמינות ביותר לאחסון מידע קוואנטי.

איזון בין שליטה לרעש

האתגר של מהנדסי מחשבים קוואנטיים הוא לאזן בין שתי דרישות מנוגדות. האלמנטים העדינים של המחשב חייבים להיות מוגנים מהפרעות ורעשים חיצוניים. אך במקביל, חייבת להיות דרך ליצור איתם אינטראקציה לצורך חישובים משמעותיים.

זו הסיבה שיש כיום כל כך הרבה סוגי חומרה שונים שמתחרים על היותם המחשב הקוואנטי הראשון. חלק מהסוגים טובים מאוד לביצוע פעולות מהירות אך סובלים מרעש, אחרים מוגנים היטב מפני רעש אך קשים להפעלה והגדלה.

לגרום לגרעינים אטומיים “לדבר” זה עם זה

צוות החוקרים עובד על פלטפורמה שהייתה, עד היום, בסוג השני. הם שתלו אטומי זרחן בשבבי סיליקון והשתמשו בספין של גרעיני האטומים כדי לקודד מידע קוואנטי. כדי לבנות מחשב קוואנטי שימושי, יהיה צורך לעבוד עם הרבה גרעינים אטומיים בו זמנית. עד כה, הדרך היחידה לעבוד עם מספר גרעינים הייתה למקם אותם קרוב מאוד זה לזה בתוך גוף מוצק, שבו יוכלו להיות מוקפים באלקטרון אחד.

לרוב אנו חושבים על אלקטרון כקטן בהרבה מגרעין האטום. עם זאת, פיזיקת הקוואנטום אומרת שהוא יכול “להתפשט” במרחב, כך שיוכל ליצור אינטראקציה עם מספר גרעינים בו זמנית. למרות זאת, טווח ההתפשטות של אלקטרון אחד מוגבל למדי. בנוסף, הוספת גרעינים נוספים לאותו אלקטרון מקשה מאוד על שליטה בכל גרעין בנפרד.

ניתן לומר שעד כה, הגרעינים היו כמו אנשים בחדרים אטומי קול – הם יכולים לדבר זה עם זה כל עוד הם באותו חדר, והשיחות ברורות מאוד. אבל הם לא שומעים דבר מבחוץ, ומספר האנשים שיכולים להיכנס מוגבל. לכן, שיטה זו אינה ניתנת להרחבה.

בעבודה החדשה של אותם יוצרים, זה כאילו נתנו לאנשים טלפונים לתקשר עם חדרים אחרים. כל חדר נשאר שקט ונעים, אך כעת ניתן לקיים שיחות בין הרבה יותר אנשים, גם אם הם רחוקים. ה”טלפונים” הם האלקטרונים. בזכות יכולתם להתפשט במרחב, שני אלקטרונים יכולים “לגעת” זה בזה גם למרחק מסוים. אם כל אלקטרון מחובר ישירות לגרעין אטומי, הגרעינים יכולים לתקשר דרך האינטראקציה בין האלקטרונים.

באמצעות ערוץ האלקטרון החוקרים יצרו שזירה קוואנטית בין הגרעינים באמצעות שיטה הנקראת “השער הגיאומטרי”, שהשתמשו בה לפני מספר שנים כדי לבצע פעולות קוואנטיות מדויקות עם אטומים בסיליקון. כעת – לראשונה בסיליקון – החוקרים הראו ששיטה זו יכולה להתרחב מעבר לזוגות גרעינים שמחוברים לאותו אלקטרון.

התאמה למעגלים משולבים

בניסוי של החוקרים, גרעיני הזרחן הופרדו בכ-20 ננומטר. אם זה נשמע עדיין מרחק קטן, אתם צודקים: יש פחות מ-40 אטומי סיליקון בין שני גרעיני הזרחן.

בעתיד, החוקרים מצפים להרחיב את מרחק השזירה אף יותר, שכן ניתן להזיז את האלקטרונים פיזית או לעצב אותם בצורה מוארכת יותר. פריצת הדרך מאפשרת שהתקדמות במכשירים קוואנטיים מבוססי אלקטרונים תוכל להיות מיושמת לבניית מחשבים קוואנטיים המשתמשים בספינים גרעיניים ארוכי חיים לצורך חישובים אמינים.