Clear Sky Science
הסברים מבוססי ראיות, עם מעט ז'רגון

Clear Sky Science · he

שערים קוונטיים שונדו ללא תנאי בין רישומי קיוביטים מוצקים מרוחקים

· חזרה לאינדקס

חיבור מחשבים קוונטיים על פני מרחק

מחשבים קוונטיים ניסיוניים של היום קטנים ופגיעים, אך רעיונות רבים לעתיד מסתמכים על חיבורם זה לזה ליצירת מעין אינטרנט קוונטי. המחקר הזה מראה ששני מעבדי יהלום זעירים, הממוקמים בכל אחד בקרה קירור נפרדת ומחוברים רק בסיבי אופטי וכבלי שליטה קלאסיים, יכולים לבצע פעולה משותפת מכרעת כאילו היו מכונה אחת. יכולת זו היא אבני בניין לתקשורת מאובטחת מרחוק, חישוב מבוזר עוצמתי וניסויים בבסיסי מכניקת הקוונטים.

Figure 1. שני שבבי יהלום זעירים חולקים שזירה כך שהם יכולים לפעול כמו מחשב יחיד על פני מרחק.
Figure 1. שני שבבי יהלום זעירים חולקים שזירה כך שהם יכולים לפעול כמו מחשב יחיד על פני מרחק.

סוג חדש של שליטה מרחוק

בחישוב רגיל, שליחת מידע בין מכונות פשוטה: ביטים מועתקים ומועברים. מכשירים קוונטיים שונים, משום שקיריאת קיו-ביט (qubit) בדרך כלל הורסה את מצבו העדין. במקום לשלוח קיוביטים הלוך ושוב, תיאורטיקנים הציעו "להטיל" את השפעתו של שער קוונטי מצומת אחת לאחרת. המתכון הבסיסי הוא ליצור תחילה שזירה בין שני קיוביטים מרוחקים, ואז להשתמש בפעולות מקומיות ותוצאות מדידה משותפות כדי לגרום לשער לפעול באופן לא מקומי. האתגר המרכזי הוא לעשות זאת באופן דטרמיניסטי, ללא דחיית ניסיונות כושלים, כך שהפעולה תתנהג כאבן בניין אמינה במעגלים קוונטיים גדולים יותר.

שבבי יהלום המבצעים בהרמוניה

החוקרים משתמשים בפגמים ביהלום הידועים כמרכזי חוסר-חנקן (NV), המאחסנים ספין אלקטרון שמתקשר עם ספינים גרעיניים של פחמן-13 בקרבת מקום. בכל אחד משני התקנים נפרדים, המכונים אליס ובוב, ספין האלקטרון משמש כקיוביט תקשורת, בעוד שהגרעין הפחמני אחד משמש כקיוביט נתונים ארוך-חיי. מיקרוגל מנווטים את ספיני האלקטרון, גלי רדיו מנווטים אחד הספינים הגרעיניים, ופולסים לייזר מדויקים מטפלים באתחול, בקריאה וביצירת השזירה באמצעות פוטונים הנשלחים בסיב אופטי. מתח חשמלי על גבי שבבי היהלום מתאים את צבע הפוטונים הנפלטים כך ששני הצמתים יפיקו אור בלתי מובחן — דרישה לשזירה מרוחקת אמינה.

שמירה על מצבים עדינים בזמן רשתיות

בעוד שהצמתים מנסים שוב ושוב ליצור שזירה על ידי התאבכות של פוטונים בודדים במפצל קרן מרכזי, צפוי שהספינים הגרעיניים יאחסנו בשקט את המידע הקוונטי. במציאות, פאזה שלהם נודדת לאט כי הם מקושרים באופן חלש לספיני האלקטרון הפעילים. כדי למתן זאת, הקבוצה מפתחת אסטרטגיות בקרה ספציפיות לכל צומת. צומת אחד מנווט ישירות את הספין הגרעיני שלו באמצעות פולסי תדר-רדיו המשולבים בדינמיקת ניתוק של האלקטרון, בעוד שהצומת השני מעצב רצפי פולסי מיקרוגל כך שתנועת האלקטרון תטביע על הגרעין פאזות תיקון מדויקות. על ידי מעקב אחר מספר ניסיונות השזירה והסתגלות של פאזות בזמן אמת, הם שומרים על קוהרנטיות קיוביט הנתונים במשך מאות ניסיונות — מספיק זמן להשלים את הפעולות הלא-מקומיות.

Figure 2. תהליך שלב אחר שלב שבו קישורי פוטון ומדידות מקומיות יוצרים בפועל שער Controlled-NOT מרוחק בין קיוביטי גרעין.
Figure 2. תהליך שלב אחר שלב שבו קישורי פוטון ומדידות מקומיות יוצרים בפועל שער Controlled-NOT מרוחק בין קיוביטי גרעין.

בניית ובדיקת מצבים קוונטיים ברשת

מצוידים בכלים אלה, הצוות מורכב תחילה מצב GHZ (גרינברגר–הורן–זיילינג) של ארבעה קיוביטים הפרוש על שני הצמתים. מצב זה, בעל קורלציות גבוהות, מקשר את שני ספיני האלקטרון ואת שני הספינים הגרעיניים למשאב קוונטי משותף יחיד. באופן חשוב, הם מקבלים כל תוצאת מדידה וגורמים לתיקונים בזמן אמת, במקום למיין ולבחור רק את הניסויים המוצלחים. המצב הנמדד תואם סימולציות מפורטות ומגיע לנאמנות גבוהה דיו כדי לאשר שזירה ארבע-צדדית אמיתית בין הצמתים. הניסוי הזה בוחן את כל המחסנית: בקרה מקומית, יצירת שזירה מרוחקת, מדידות באמצע המעגל והזנה קדימה בזמן אמת.

שער קוונטי שעובר בין מכונות

לבסוף, המחברים מדגימים את מטרתם הראשית: שער Controlled-NOT (CNOT) בין שני קיוביטי הנתונים הגרעיניים המרוחקים. באמצעות מעגל מבוסס על הטלפורטציה, הם ממירים שזירה משותפת של ספין-האלקטרון ופעולות מקומיות לשער אפקטיבי המתהפך על ספין הגרעין של בוב רק כאשר זה של אליס נמצא במצב מסוים. הם מאמתים את טבלת האמת הקלאסית על ידי הכנת מצבי כניסה מוגדרים ובדיקת התוצרים, ומאשרים התנהגות קוונטית של ממש על ידי יצירת שזירה בין קיוביטי הנתונים המרוחקים באמצעות יישום יחיד של השער המשונע. הנאמנויות הנצפות תואמות היטב למודלים של שגיאות המבוססים על פולסים לא מושלמים, אי-המובחנות המוגבלת של פוטונים וטעות מדי פעם בקריאת מצב באמצע המעגל.

מה המשמעות עבור העתיד הקוונטי

ללא-מומחה, המסר המרכזי הוא ששני מעבדי קוונטום זעירים, מופרדים במרחב ומחוברים באור, יכולים כעת לבצע פעולה לוגית משותפת באופן בלתי מותנה. במקום רק לשתף שזירה ואז למיין בקפידה את הניסויים המוצלחים, המערכת מקבלת את כל התוצאות ומתקנת אותן על המקום — יכולת חיונית להגדלה. אמנם שיעורי השגיאה עדיין זקוקים לשיפור, אך הטכניקות המוצגות כאן מצביעות על דרכים למחשבים קוונטיים מבוזרים גדולים יותר, פרוטוקולי רשת מורכבים יותר ולבסוף אינטרנט קוונטי תפקודי שבו מכשירים קטנים רבים משתפים פעולה כיחידה אחת.

ציטוט: Iuliano, M., Demetriou, N., van Ommen, H.B. et al. Unconditionally teleported quantum gates between remote solid-state qubit registers. Nat Commun 17, 4694 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72818-6

מילות מפתח: רשתות קוונטיות, שערים קוונטיים משונעים, מרכזי חוסר-חנקן (NV), חישוב קוונטי מבוזר, שזירה מרוחקת