Q-Factor מתחילה לחשוף כיצד תבנה מחשב קוונטי של מיליון קיוביטים

Q-Factor נחשפה בחודש אפריל, כאשר הודיעה על גיוס Seed בהיקף של 24 מיליון דולר ועל תוכנית לפתח מחשב קוונטי מבוסס אטומים ניטרליים הכולל יותר ממיליון קיוביטים. כפי שדיווחנו אז בטקטיים, החברה הוקמה על ידי רז, פרופ' ניר דוידסון ופרופ' עופר פירסטנברג ממכון ויצמן ופרופ' יואב שגיא מהטכניון. הארבעה טענו כי זיהו צוואר בקבוק ארכיטקטוני שמקשה על הגדלת מחשבי האטומים הניטרליים הקיימים מעבר לאלפי קיוביטים.

כעת מתחילים להיחשף גם חלק מהעקרונות שבאמצעותם הם מקווים להתמודד עם הבעיה. בחודשים האחרונים עסקו חוקרי החברה בשתי סוגיות שמקבלות חשיבות הולכת וגדלה ככל שהמחשב גדל: החימום המצטבר של האטומים במהלך ביצוע פעולות קוונטיות והיכולת לקרוא במהירות ובדיוק את מצבם.

"תוכנית שליטה שנראית אלגנטית ב-1,000 קיוביטים עלולה להפוך לבלתי מעשית ב-100 אלף; הקריאה יכולה להישאר מדויקת, אבל להפוך לאיטית מדי", אומר רז. "תיקון שגיאות יכול לדכא רעש, אך לדרוש כל כך הרבה קיוביטים פיזיים ופעולות, שהמערכת לעולם לא תגיע לקיבולת שימושית".

האטומים הניטרליים יוצאים מהמעבדה

Q-Factor בחרה באחת הארכיטקטורות הצומחות כיום בעולם הקוונטי: Neutral Atoms. בשיטה זו, האטום עצמו משמש כקיוביט. אטומים בודדים נלכדים באמצעות קרני לייזר ממוקדות, המכונות "פינצטות אופטיות", וניתן להזיז ולארגן אותם במבנים שונים. כדי לבצע פעולות בין קיוביטים מעוררים את האטומים, בין היתר, למצבי Rydberg, שבהם נוצרת ביניהם אינטראקציה חזקה.

בניגוד לקיוביטים מלאכותיים המיוצרים על גבי שבבים, אטומים מאותו איזוטופ זהים מטבעם. השליטה האופטית מאפשרת גם להזיז אותם ולשנות את הקישוריות ביניהם, ללא מערך חיווט חשמלי נפרד לכל קיוביט.

"אטומים הם מימוש טבעי של ביטים קוונטיים", אומר רז. "הם זהים מטבעם, ניתן ללכוד ולהזיז אותם באמצעות אור ולסדר אותם בגיאומטריות גמישות המאפשרות לקיוביטים שונים לבצע אינטראקציה זה עם זה. לדעתי, התכונות האלה הופכות את האטומים הניטרליים לפלטפורמה המבטיחה ביותר לשלב הסקיילינג שמתחיל כעת".

אלא שגם הגישה הזו אינה פותרת מעצמה את בעיית הסקיילינג. מחשב אטומים ניטרליים הוא למעשה מערכת אלקטרו-אופטית גדולה ומורכבת, הכוללת לייזרים, רכיבים אופטיים, מערכות בקרה ומדידה. ככל שמספר האטומים גדל, גם המערכת שמפעילה אותם צריכה לגדול מבלי להפוך לאיטית, מורכבת או יקרה מדי.

"רוב מערכות האטומים הניטרליים בנויות סביב תכנון קונבנציונלי למדי, דמוי מיקרוסקופ, שמגביל באופן טבעי את גודלו של מעבד יחיד", אומר רז. "Q-Factor מפתחת גישה אחרת, שתוכננה מלכתחילה סביב ליבה אטומית גדולה בהרבה".

היעד הוא להגדיל ככל האפשר ליבה אחת, במקום להגיע בשלב מוקדם למערכת המורכבת ממספר רב של מעבדים קוונטיים קטנים יותר המחוברים ביניהם. גם למודולריות, מדגיש רז, יש מחיר: "חיבור של הרבה ליבות קוונטיות קטנות עוזר רק אם הקישור ביניהן לא הופך לצוואר הבקבוק הבא בביצועים או במורכבות המערכת".

איך מונעים מהאטומים להתחמם?

דוגמה ראשונה לאופן שבו החברה מנסה לתקוף את בעיית הסקיילינג הופיעה במחקר שפרסמו באוגוסט ארבעת מייסדי Q-Factor.

בעת ביצוע שערים קוונטיים המבוססים על מצבי Rydberg, נהוג לכבות זמנית את המלכודת האופטית שמחזיקה את האטום ולהדליק אותה מחדש בסיום הפעולה. בכל מחזור כזה האטום משתחרר ונלכד מחדש, והתהליך מוסיף בהדרגה תנועה וחימום למערכת. כאשר מבצעים מספר רב של שערים, האפקט מצטבר ועלול להגביל את עומק המעגל הקוונטי.

החוקרים פיתחו שיטת Motional Refocusing, שבה נעשה שימוש בשינוי מתוזמן של עוצמת המלכודת כדי להפוך את השפעת התנועה ולהחזיר את האטום למצבו. לפי העבודה, במודל ההרמוני ניתן לבטל את החימום, ובסימולציות של מלכודות אופטיות מציאותיות הצליחה השיטה לדכא את מנגנון החימום המרכזי.

הנקודה החשובה מבחינת Q-Factor היא שהפתרון אינו מחייב הוספת רכיב חומרה חדש לכל קיוביט. הוא משתמש בבקרת עוצמת המלכודת שכבר קיימת במערכת – בדיוק סוג הפתרון שהחברה מחפשת כאשר היא חושבת על מערכת שאמורה לגדול בכמה סדרי גודל.

עם זאת, המחקר הוא בשלב זה עבודה תיאורטית הנתמכת בסימולציות, ולא הדגמה של הטכנולוגיה במחשב קוונטי גדול.

לא מספיק למדוד במדויק – צריך גם למדוד מהר

צוואר בקבוק נוסף נמצא בסוף הפעולה הקוונטית: קריאת מצב הקיוביטים. במחשב סובל-תקלות, המדידה אינה מתבצעת רק בסוף החישוב. תיקון שגיאות דורש מחזורים חוזרים של מדידה, עיבוד ומשוב, ולכן ככל שהמערכת גדלה, גם זמן הקריאה הופך למשאב קריטי.

בעבודה נוספת הציעו חוקרי Q-Factor ושותפיהם להשתמש באטומי עזר כדי להגביר את אות הקריאה. במקום להסתמך רק על האות שמתקבל מאטום יחיד, מצבו הקוונטי משוכפל באופן מבוקר אל כמה אטומי עזר, שאותם ניתן למדוד במקביל. גם כאן מדובר לפי שעה בהצעה שנבחנה באמצעות ניתוח וסימולציות, ולא בהדגמה של מערכת פעילה בקנה מידה גדול.

שתי העבודות משקפות את אותה תפיסה: לא מספיק לפתור כל בעיה בנפרד. הפתרון עצמו צריך להיות כזה שלא ייצור בעיית scaling חדשה במקום זו שפתר.

"עלויות הסקיילינג נוטות להצטבר", אומר רז. "מדידה מהירה יותר עשויה לדרוש יותר חומרה, תוספת קישוריות מקשה על השליטה ותיקון שגיאות מגדיל את סך המשאבים הדרושים. תכנון שעובד היטב בקנה מידה מסוים עלול להפוך לבלתי מעשי כשהמכונה גדלה פי 10 או פי 100".

Q-Factor עדיין רחוקה מהוכחת היעד השאפתני שהציבה לעצמה. החברה לא חשפה מערכת המתקרבת למיליון קיוביטים, וחלק מהפתרונות שהיא מפתחת עדיין נמצאים בשלב המחקר והסימולציה. השאלה הגדולה תהיה האם ניתן יהיה לשלב את כל המרכיבים האלה למערכת אחת גדולה ולשמור בה בעת על רמת הדיוק הדרושה למחשוב סובל-תקלות.

אבל מבחינת רז, זה בדיוק המקום שבו יוכרע הדור הבא של המרוץ הקוונטי. "במרוץ למיליון קיוביטים, האתגר הוא לא רק להגיע לשם, אלא לוודא ששאר המכונה יכולה לגדול יחד איתם".