חוקרים ממעבדות QuEra, MIT ו-Harvard הצליחו, לראשונה, לבצע משהו שנחשב עד כה לאתגר עצום בעולם המחשוב הקוונטי: הם הצליחו ליצור בתוך מערכת קוונטית יציבה, שמסוגלת לתקן שגיאות, קיוביט מיוחד שנקרא "קיוביט קסום", שהוא מרכיב חיוני כדי לבצע חישובים קוונטיים אוניברסליים באמת. ההישג הזה, שפורסם בכתב העת Nature, מקרב אותנו לשלב שבו מחשבים קוונטיים לא רק יפעלו בצורה מדויקת ויציבה לאורך זמן, אלא גם יוכלו לבצע את כל סוגי החישובים הקוונטיים המתקדמים ביותר, מבלי לקרוס משגיאות.

כדי להבין את ההישג, חשוב להבין את המגבלה הגדולה של מחשבים קוונטיים כיום. כל מערכות תיקון השגיאות הקוונטיות – כולל הקודים הנפוצים ביותר כמו surface code ו-color code – מתוכננות כך שיוכלו לתמוך רק בקבוצה מסוימת של שערים קוונטיים, שנקראת שערי קליפורד (Clifford gates). מדובר בקבוצה חשובה של שערים שנחשבת ל"בטוחה" במובן של תיקון שגיאות: הם מתאימים לקודים הלוגיים וניתן להריץ אותם בצורה מהירה, חסינה ובעלת נטיה נמוכה לשגיאות.

שערי קליפורד כוללים שערים בסיסיים כמו Hadamard (H), Pauli-X/Y/Z, CNOT ו־S. אלו אבני הבניין שעליהן בנויים כל הקודים הקיימים לתיקון שגיאות קוונטיות. אבל יש להם מגבלה מהותית: הם לא מספיקים כדי לבצע את כל החישובים הקוונטיים האפשריים. אפשר לדמות מערכת שמוגבלת לשערי קליפורד גם במחשב קלאסי – אין לה את "היתרון הקוונטי" שכולם מחפשים.

השער שחסר כדי לבצע כל משימת חישוב קוונטית

כאשר מדברים על מחשוב קוונטי "אוניברסלי", הכוונה היא למחשב שיכול להריץ כל שער קוונטי לוגי אפשרי, וכל אלגוריתם קוונטי באשר הוא – לא רק להדגים יתרון נקודתי על מחשבים קלאסיים. אוניברסליות קוונטית היא השלב הבא אחרי מה שמכונה "עליונות קוונטית" – שלב שבו מחשבים קוונטיים כבר לא רק מבצעים ניסויים מהירים שלא ניתנים לסימולציה קלאסית, אלא הופכים לכלי עבודה של ממש אשר מסוגל לבצע משימות מדעיות, מתמטיות, כימיות וקריפטוגרפיות מורכבות.

כדי להגיע לאוניברסליות צריך לצאת מגבולות שערי קליפורד הנוחים לתיקון שגיאות אך מוגבלים בכוח החישוב, ולממש שערים נוספים, ובראשם שער T. שער T מבצע סיבוב פאזה של π/4 (45 מעלות) על מצב הקיוביט. הוא אינו שייך למשפחת שערי קליפורד, ולכן הכרחי לצורך בניית מחשב קוונטי לאוניברסלי. אלא שקשה מאוד לשלב אותו ישירות במערכות עם תיקון שגיאות: למרות חשיבותו, שער T אינו תואם באופן טבעי לפרוטוקולי תיקון השגיאות המקובלים כמו surface code או color code, ואי-אפשר להריץ אותו בצורה ישירה מבלי לפגוע ביציבות הקיוביטים הלוגיים. 

הקיוביט הקסום שנוצר ונעלם

כאן בדיוק נכנס לתמונה הקונספט של קיוביט קסום (magic state), שמאפשר, ברמה התיאורטית, להכניס את שער T לתוך מערכת קוונטית מוגנת, מבלי להרוס את תיקון השגיאות. "קיוביט קסום" הוא קיוביט שנמצא במצב קוונטי מדויק מאוד, שמאפשר להפעיל את שער T בצורה עקיפה, באמצעות פרוטוקול שנקרא gate teleportation. כאמור, שער T אינו תואם למבנה של קודי תיקון השגיאות ולכן אם מתרחשת שגיאה במהלך ביצוע ישיר של שער T, לא ניתן לתקן אותה מבלי לפגוע בתקינות הקיוביט הלוגי. הפתרון הוא לעקוף את הבעיה: במקום להריץ את שער T ישירות, משתמשים בקיוביט קסום שמעביר את ההשפעה של השער בצורה עקיפה ובטוחה, תוך שימוש רק בשערי קליפורד ומדידות – פעולות התואמות לתיקון שגיאות.

העקיפה הזו מתבצעת באמצעות פעולת ה-gate teleportation: תהליך המזכיר טלפורטציה קוונטית רגילה, אלא שכאן לא מועבר קיוביט, אלא רק השפעת הפעולה על הקיוביט, באמצעות שילוב חכם של מדידות ושערים פשוטים. בתהליך הזה, הקיוביט הקסום משמש כמו משאב חד-פעמי: הוא משתלב במעגל עם הקיוביט שעליו רוצים להחיל את שער T, ובסיום הפעולה הוא נמדד או נהרס. כלומר, הקיוביט הקסום מבצע את תפקידו, ואז נעלם. לכן כדי להריץ הרבה שערי T, יש צורך בהרבה מאוד קיוביטים קסומים – שכל אחד מהם חייב להיות מדויק, אמין, ומוכן מראש.

קיוביט קסום הוא לא חלקיק או רכיב חומרה, אלא מצב קוונטי מסוים של קיוביט (למשל: superposition עם פאזה מותאמת בדיוק רב), שאי אפשר להגיע אליו בעזרת שערי קליפורד בלבד. הוא חייב להיווצר בנפרד, באמצעים מיוחדים, ואז לעבור תהליך של זיקוק (distillation) כדי לשפר את האיכות שלו ולהפחית רעש. החוקרים במאמר לא הריצו את שער T עצמו, וגם לא אלגוריתם המבוסס עליו, כמו אלגוריתם שור. במקום זאת, הם הראו שניתן להפיק קיוביט קסום לוגי בתוך מערכת עם תיקון שגיאות – הישג שלא הושג עד כה. הם עשו זאת בעזרת פרוטוקול זיקוק בשם 5to1 magic state distillation, שבו חמישה קיוביטים קסומים רועשים עוברים תהליך לוגי (עם שערי קליפורד ומדידות), שבסופו מתקבל קיוביט אחד באיכות גבוהה יותר.

מפעל לקיוביטים קסומים

הניסוי כולו בוצע על-גבי המחשב הקוונטי Gemini של חברת QuEra, המבוסס על אטומים ניטרליים הנלכדים ומסודרים באמצעות לייזרים. במסגרת הניסוי, החוקרים השתמשו בקוד תיקון שגיאות מסוג Color Code. השימוש בקוד צבע איפשר להם ליישם מדידות, לבצע טעינות מחודשות, ולעבוד עם אטומים ניטרליים במבנה גמיש ודינמי.

היכולת להפיק קיוביט קסום לוגי בצורה זו נחשבת לאבן דרך בדרך למימוש מחשב קוונטי אוניברסלי. זוהי למעשה בניית התשתית ל"מפעל קיוביטים קסומים" – רכיב מרכזי שבלעדיו לא ניתן להריץ אלגוריתמים קוונטיים מתקדמים. ההישג מוכיח שלא מדובר עוד ברעיון תיאורטי – אלא במשהו שמערכת ניסויית יכולה לעשות, עם רמות שליטה שמתקרבות לדרישות של מחשוב קוונטי אמיתי.

עם זאת, למרות ההישג המרשים, הדרך למימוש מחשוב קוונטי אוניברסלי וחסין־שגיאות עדיין ארוכה. הדגמת זיקוק קיוביטים קסומים ברמה לוגית היא צעד קריטי, אך היא בוצעה עדיין בהיקף קטן יחסית ובתנאים נשלטים. כדי שהשיטה תהיה ישימה בפרקטיקה, יהיה צורך לייצר כמויות גדולות מאוד של קיוביטים קסומים – באופן אמין, עקבי ומהיר. פרוטוקולי הזיקוק עצמם דורשים משאבים רבים: בכל סבב נדרשים כמה קיוביטים בסיסיים כדי לזקק קיוביט אחד איכותי, ולעיתים יש צורך לבצע את התהליך במספר שכבות עוקבות כדי להגיע לרמת נאמנות מספקת.

נוסף על כך, יש אתגר הנדסי משמעותי בשילוב המודול הזה בתוך ארכיטקטורת מחשוב קוונטי שלמה, כזו שכוללת גם חישוב, גם תקשורת פנימית בין קיוביטים, וגם תיאום מתמיד עם מערכת תיקון השגיאות. כל רכיב כזה דורש תיאום עדין מבחינת תזמון, טמפרטורה, יציבות, ובידוד מרעש סביבתי. כלומר, מדובר באבני בניין חיוניות – אך עדיין חלק מפאזל מורכב בהרבה שטרם הושלם.