פעולות לוגיות אוניברסליות במעבדת קוונטום מסיליקון

הפיכת קיוביטים שבירים לכלים מהימנים

מחשבים קוונטיים מבטיחים לפתור בעיות מסוימות הרחק מעבר ליכולות המכונות של היום, אך הבלוקים הבסיסיים שלהם, המכונים קיוביטים, פגיעים מאוד. המחקר הזה מראה כיצד קיוביטים המיוצרים בסיליקון יכולים להיות משולבים כך שיתנהגו יותר כמו נשאי מידע עמידים, ובכך מקרבים מחשוב קוונטי מעשי לטכנולוגיות שכבר נמצאות בשימוש באלקטרוניקה היומיומית.

מדוע בנייה על סיליקון חשובה

רוב המחשבים הקלאסיים שלנו פועלים על שבבי סיליקון, ולכן היכולת לבנות חומרה קוונטית על אותו חומר עשויה להקל משמעותית על הייצור והסקיילינג של מכשירים עתידיים. הצוות עובד עם קיוביטים ספין הנוצרים על ידי אטומי זרחן המוצבים בדיוק אטומי בתוך גביש סיליקון. ספינים אלה יכולים להחזיק מידע קוונטי לפרקי זמן ארוכים, ועבודות קודמות הראו שניתן לשלוט על יחידים וקבוצות קטנות מהם בדיוק גבוה. מה שהיה חסר בסיליקון עד כה הוא הצעד הבא: ביצוע פעולות “לוגיות” מלאות שמגנות באופן פעיל על המידע מפני רעש.

אחסון ביט לוגי אחד במספר ביטים פיזיים

החוקרים משתמשים בסכימה חכמה הנקראת קוד [[4, 2, 2]], שבה ארבעה קיוביטים פיזיים מאחסנים במשותף שני קיוביטים לוגיים, בעוד קיוביט חמישי ממלא תפקיד תומך. במקום להסתמך על קיוביט יחיד, המידע מתפרס על כל הארבעה, כך שניתן לזהות ולדחות שגיאות שמערבות חלקיק בודד. המכשיר נבנה על ידי חריטת תבניות על פני שטח הסיליקון במיקרוסקופ מוותרת סורקת (scanning tunnelling microscope), ואז דופנטים את האזורים הממוסגרים באטומי זרחן ליצירת אשכול צפוף של חמישה ספיני גרעין הפועלים כקיוביטים. באמצעות פולסים מגנטיים קליבריים בקפידה, הצוות מכין שתי מצבים לוגיים, כולל זוג עכור (Bell) מסובך, ומראה שברגע שמסננים נתונים שנפגעו בשגיאות הניתנות לזיהוי, המצבים הלוגיים משוחזרים בנאמנות הגבוהה מ-95%.

שמירה על מידע קוונטי חי ותחת שליטה

כדי לבדוק עד כמה המידע הלוגי עמיד, הכותבים צופים כיצד המצבים המקודדים משתנים עם הזמן. הם עוקבים אחרי סוגים שונים של שגיאות וצופים שהיפוכים של פאזה קוונטית שורדים לעומת היפוכים פשוטים של סיב (bit flips), הטיה של רעש שתיאוריה מציעה יכולה אפילו לשפר את היעילות של תיקון השגיאות. הצוות מדגים אז ארגז כלים מלא של שערים לוגיים: פעולות המהפכות, מסובבות ומערבבות (entangle) את הקיוביטים הלוגיים ללא צורך בפענוח חזרה לספינים בודדים. רוב השערים הללו ממומשים ישירות באמצעות האינטראקציות הטבעיות באשכול הדונורים. סוג מיוחד של סיבוב, המכונה שער T והחיוני לחישוב קוונטי כללי באמת, מושג בעקיפין על ידי שילוב קיוביט עזר נוסף ושימוש בתוצאות מדידה כדי להחליט כיצד הקיוביט הלוגי סובב.

יצירת "דלק" קוונטי מיוחד ובדיקת אלגוריתם אמיתי

אותן פעולות בסגנון T מאפשרות גם לצוות להכין מה שמכונים "מצבי קסם" (magic states), דפוסי סופרפוזיציה קוונטית מיוחדים הנדרשים להרצת אלגוריתמים אוניברסליים עם תיקון שגיאות. מספר וריאציות של מצבים אלה נוצרים ונמדדים, כאשר וריאנט אחד חוצה את סף האיכות הידוע הנדרש לשגרות טיהור עתידיות. כדי להדגים שימוש מעשי, החוקרים מריצים חישוב כימיה קוונטית קטן באמצעות שגרה היברידית קוונטית–קלאסית הנקראת האיגנסור הקוונטי הווריאציונלי (variational quantum eigensolver). עם שני קיוביטים לוגיים בלבד הם מקורבים את אנרגיית מצב-היסוד של מולקולת מים תוך שינוי זווית הקשר שלה, ומיישמים צעדי ניקוי נתונים נוספים כדי להתגבר על רעש שנותר. עקומת האנרגיה שהתקבלה מתיישבת בקירוב רב עם הציפיות התיאורטיות, אף על פי שהחומרה הבסיסית עדיין יחסית קטנה.

מה משמעות הדבר למכונות קוונטיות עתידיות

העבודה הזו מסמנת את הפעם הראשונה שבה הוצגו פעולות לוגיות אוניברסליות במעבדת קוונטום מבוססת סיליקון שנבנתה מאטומי דונור. על ידי קידוד מידע על פני מספר ספינים, זיהוי שגיאות לאחר מעשה, ועדיין הרצת אלגוריתם בהשראת כימיה בהצלחה, המחברים מראים שקיוביטי ספין בסיליקון יכולים להתקדם מעבר ליחידות מבודדות לכוּנות מוגנות ותכנותיות. עם שיפור בתהליכי ייצור להיצמדות מדויקת יותר של הדונורים, צמצום התאמה צולבת בין אותות הבקרה ומערכים גדולים יותר של אשכולות אלה, סכימות לוגיות דומות יכולות להיסקל למחשבים קוונטיים חסינים מעשיים שקרובים הרבה יותר לטכנולוגיית השבבים של היום.

ציטוט: Zhang, C., Xu, F., Zhang, S. et al. Universal logical operations in a silicon quantum processor. Nat. Nanotechnol. 21, 635–641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02140-1

מילות מפתח: מעבד קוונטום בסיליקון, קיוביטים לוגיים, [[4, 2, 2]] קוד, מחשוב קוונטי חסין לתקלות, כימיה קוונטית