מניפולציה קוהרנטית קוונטית וקריאה של מצבי וורטקס על־מוליכים ללא התנגדות

דרך חדשה לאחסון מידע קוונטי

מחשבים קוונטיים מבטיחים לפתור בעיות שמעבר ליכולות של המחשבים של היום, אך אבני הבניין שלהם — הקיוביטים — שבריריים וקשים להנדסה. המחקר הזה חושף סוג בלתי צפוי של קיוביט החבוי בתוך החומרים העל־מוליכים עצמם: מערבולות זעירות של שדה מגנטי, שנקראות וורטקסים, היכולות לאחסן מידע קוונטי לשעות ארוכות מפתיעות. הפיכת מה שנחשב בעבר לצורר לשימושי עשויה לפתוח דרכים חדשות לטכנולוגיות קוונטיות פשוטות ועמידות יותר.

כשעל־מוליכים נותנים למגנטיות להסתנן

על־מוליכים ידועים בכך שהם דוחקים שדות מגנטיים מחלקם הפנימי, תופעה שעומדת בבסיס טכנולוגיות כמו מכשירי MRI וחיישנים רגישים. עם זאת, כשהשדה המופעל נהיה חזק מספיק, הוא יכול לנקב את העל־מוליך בקורות דיסקרטיות דמויות חוטים שמכונות וורטקסים. בחומרים רגילים, המרכז של כל וורטקס מתנהג כמו מתכת רגילה, גורם לחיכוך ואובדן אנרגיה בכל תנועה של הוורטקס. לכן ראו בוורטקסים במשך זמן רב מטרד שמדלדל את ביצועי המכשירים העל־מוליכים והקיוביטים. ההיפוך המהותי שנבדק כאן הוא שבעל־מוליך גרעני ומבוּלֶגן — המורכב מגרעיני אלומיניום זעירים המופרדים במשטחי בידוד דקים — הפנימיות של הוורטקס יכולה להישאר "מומללת" (gapped), כלומר אינה משחררת אנרגיה בקלות. בתנאים אלה הוורטקסים עשויים להפסיק להתנהג כאובייקטים קלאסיים ולהתחיל להציג התנהגות קוונטית מלאה.

הפיכת וורטקסים למערכות שתי־מצבים קוונטיות

החוקרים ייצרו רזונטור מיקרוגל זעיר מאלומיניום גרעני, קיררו אותו למעט אלפי חלקי מעלות מעל האפס המוחלט והפעילו שדה מגנטי קטן בזמן הקירור. פרוצדורה זו כלתה וורטקסים במכשיר במיקומים ספציפיים. באמצעות סריקה של השדה המגנטי ובחינת תגובת המיקרוגל של הרזונטור, הקבוצה הבחינה בסימנים ברורים שהרזונטור היה מקושר בחוזקה למערכת דו-רמתית ניתנת לכיול — למעשה אובייקט קוונטי עם רק מצב בסיס ומצב מעורר — הקשורה לנוכחות הוורטקסים. הם יכלו להניע מעברים בין שתי המצבים האלה באמצעות פעימות מיקרוגל קצרות, בדיוק כמו שמניעים קיוביט על־מוליך קונבנציונלי, ויכלו לקרוא את המצבים באופן שלא הורס אותם, בשיטה הידועה כמדידת שאינה משחיתה (quantum non-demolition).

מערבולות קוונטיות בעלות חיים ארוכים

מדידות בזמן גילו שמצבי הוורטקס שומרים על האנרגיה שלהם למשך מאות מיקרו־שניות, תחרותי לזמני החיים של קיוביטים מהמתוכננים בקפידה שמשתמשים בהם בניסויים המובילים כיום. הקוהרנטיות של הפאזה — התכונה המאפשרת סופרפוזיציות קוונטיות — החזיקה מעמד למיקרו־שניות וניתנה להארכה בעזרת טכניקות הוּד (echo) שמבטלות שינויים איטיים בסביבה. מחקרים סטטיסטיים על מחזורי קירור רבים הראו ש"קיוביטים וורטקסיים" אלה יציבים למשכי זמן של שעות עד שבועות, אך התצורה המיקרוסקופית שלהם יכולה להשתנות מקירור לקירור, משקפת סידורים שונים של וורטקסים בנוף הגרעני.

נוף של מלכודות וחישול קוונטי

להסביר כיצד וורטקס יכול להתנהג כמערכת דו־מצבית קוונטית, המחברים דימו את העמדה האנרגטית שהוא חווה בתוך רצועת העל־מוליך הצרה. מאחר שהשכבה גרענית ומבוּלגנת, קיימים אתרי "נעיצה" זעירים רבים שמילכדו וורטקסים מקומית. כאשר שדה המגנטי משתנה, העומק היחסי של המלכודות האלה משתנה, ובפועל נוצר פוטנציאל של שתי שפעיות: שני עמדות אנרגיה נמוכות סמוכות המופרדות במחסום. ליד שדה "נקודת-מתיקות" מיוחדת (sweet spot), שתי השפעיות מתקרבות בערכן, והוורטקס יכול לחצות ביניהן באמצעות מנהור קוונטי במקום לקפוץ באופן קלאסי. במשטר כזה הוורטקס אינו שוב מוגבל לצד אחד בלבד; במקום זאת מצבו הוא סופרפוזיציה של הימצאות בשתי המלכודות בבת אחת, ויוצר את מערכת שתי־המצבים שמקושרת לרזונטור.

ממצבים שרצויים נמנעים לכלים קוונטיים שימושיים

בהדגמה שוורטקסים כלואים בעל־מוליך גרעני יכולים להתנהג כקיוביטים ניתנים לשליטה ובעלי חיי־סף ארוכים, עבודה זו הופכת חסרון ותיק של מכשירים על־מוליכים להזדמנות. אם התמונה הבסיסית — וורטקסים המנהרים בין אתרי נעיצה סמוכים ברשת מחוספסת בדומה למפרצים — תאומת על־ידי ניסויי הדמיה וספקטרוסקופיה עתידיים, ניתן לממש קיוביטים מבוססי־וורטקס בטווח רחב של חומרים. מכיוון שהם נובעים ישירות ממבנה העל־מוליך, מצבים כאלה יכולים לשמש גם כחיישנים מוטמעים של הבלגן המיקרוסקופי וגם כמרכיבים בפלטפורמה חדשה מבוססת וורטקס לעיבוד מידע קוונטי וחישה על־קלה-רגישה.

ציטוט: Nambisan, A., Günzler, S., Rieger, D. et al. Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states. Nature 653, 63–67 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10441-7

מילות מפתח: קיוביטים על־מוליכים, אלומיניום גרעני, וורטקסים מגנטיים, קוהרנטיות קוונטית, חומרים קוונטיים