להגדיל את המעבדה: המסע הניסויי מספינים גרעיניים למעגלים מוליכי-על

כשאנחנו מסתכלים היום על המחשבים הקוונטיים של גוגל או IBM, קל לשכוח שהמסע הזה לא התחיל בלוחות מעגלים מורכבים במעמקי מקררי מהילה. ראשיתו של המחשוב הקוונטי הניסויי נראתה אחרת לגמרי – היא נראתה כמו מבחנות של נוזלים בתוך מכשירי MRI. כמי שמלווה את התחום כאן בישראל, מהאקדמיה ועד לאקוסיסטם ההייטק התוסס שלנו, המעבר הזה מייצג לא רק שינוי טכנולוגי, אלא שינוי פרדיגמה שלם בשאלת ה'סקילביליות'.

ימי התום: תהודה מגנטית גרעינית (NMR)

בסוף שנות ה-90 ותחילת שנות ה-2000, המחשבים הקוונטיים הראשונים לא היו שבבים מוצקים. הם היו מולקולות בתמיסה. בשיטה שנקראת Liquid-state NMR, השתמשו בספינים של גרעיני האטומים בתוך המולקולה בתור קיוביטים. פולסים של גלי רדיו שימשו כשערים לוגיים.

• בשנת 2001, יבמ הדגימה את אלגוריתם שור (Shor) לפירוק המספר 15 לגורמים באמצעות מולקולה עם 7 קיוביטים.
• היתרון הגדול היה זמן קוהרנטיות ארוך מאוד – הספינים הגרעיניים מבודדים היטב מהסביבה.

אך למערכות NMR הייתה בעיה קריטית: היעדר יכולת הרחבה (Scalability). ככל שהוספנו קיוביטים, האות הלך ונחלש אקספוננציאלית עד שהפך לרעש רקע. היה ברור שצריך לחשב מסלול מחדש.

המעבר למצב מוצק: המהפכה של מוליכי-על

הפריצה הגדולה הגיעה כשהצלחנו לרתום תופעות קוונטיות למעגלים חשמליים מאקרוסקופיים. בניגוד לאטומים בודדים, מעגלים מוליכי-על מיוצרים בטכנולוגיות דומות לשבבי סיליקון סטנדרטיים (ליטוגרפיה), מה שמאפשר, תיאורטית, לייצר אלפי ומיליוני קיוביטים על שבב אחד.

בלב המהפכה הזו עומד 'צומת ג'וזפסון' (Josephson Junction) – אלמנט לא-ליניארי שמאפשר לנו ליצור רמות אנרגיה מובחנות ולשלוט בהן בדיוק רב. סוג הקיוביט הנפוץ ביותר כיום, ה-Transmon, הוא תוצר של אופטימיזציה הנדסית מבריקה שהפחיתה את הרגישות לרעש מטען חשמלי.

האתגר הישראלי והגלובלי

כיום, האתגר הוא כבר לא 'האם זה עובד', אלא 'איך מגדילים'. המעבר למעגלים מוליכי-על הביא איתו אתגרי הנדסת מערכת עצומים: בקרת חום קיצונית (מילי-קלווין), חיווט סבוך של אלפי כבלים קואקסיאליים, וצורך בתיקון שגיאות קוונטי (Quantum Error Correction). בישראל, אנחנו רואים חברות סטארט-אפ וחוקרים שמתמקדים בדיוק בשכבת הבקרה הזו – ה'שכל' שמנהל את החומרה המורכבת הזו.

סיכום

המסע מפיזיקה גרעינית במבחנה להנדסת מיקרו-שבבים מוליכי-על הוא עדות ליכולת האנושית לקחת תיאוריות מופשטות ולהפוך אותן לתשתית טכנולוגית. אנחנו נמצאים כעת בנקודת המפנה שבה הניסוי המעבדתי הופך למערכת מחשוב של ממש, וזוהי תקופה מרגשת ביותר להיות חלק מהקהילה הטכנולוגית הזו.