חוקרים במכון נילס בוהר הגדילו משמעותית את מהירות הזיהוי של שינויים במצבי קוונטיים עדינים בתוך קיוביט. על ידי שילוב של חומרה זמינה מסחרית עם טכניקות מדידה אדפטיביות חדשות, הצוות יכול כעת לצפות בשינויים מהירים בהתנהגות הקיוביט שקודם לכן היה בלתי אפשרי לראות.
קוויביטים הם היחידות הבסיסיות של מחשבים קוונטיים, שמדענים מקווים שיום אחד יצליחו להתעלות על המכונות החזקות ביותר של ימינו. אבל קיוביטים הם רגישים ביותר. החומרים המשמשים לבנייתם מכילים לרוב פגמים זעירים שמדענים עדיין לא מבינים עד הסוף. פגמים מיקרוסקופיים אלו יכולים לשנות מיקום מאות פעמים בשנייה. בזמן שהם נעים, הם משנים את המהירות שבה קיוביט מאבד אנרגיה ואיתו מידע קוונטי בעל ערך.
עד לאחרונה, שיטות בדיקה סטנדרטיות ארכו עד דקה למדידת ביצועי קיוביט. זה היה איטי מדי כדי לתפוס את התנודות המהירות הללו. במקום זאת, החוקרים יכלו לקבוע רק קצב אובדן אנרגיה ממוצע, תוך מיסוך ההתנהגות האמיתית ולעתים קרובות הלא יציבה של הקיוביט.
זה קצת כמו לבקש מסוס עבודה חזק למשוך מחרשה בזמן שמכשולים מופיעים כל הזמן בדרכו מהר יותר ממה שמישהו יכול להגיב. החיה אולי מסוגלת, אבל שיבושים בלתי צפויים הופכים את העבודה להרבה יותר קשה.
בקרת Qubit בזמן אמת באמצעות FPGA
צוות מחקר מהמרכז להתקנים קוונטיים של מכון נילס בוהר ותוכנית המיחשוב הקוונטי של קרן נובו נורדיסק, בהובלת החוקר הפוסט-דוקטורט ד"ר Fabrizio Berritta, פיתח מערכת מדידה אדפטיבית בזמן אמת שעוקבת אחר שינויים בקצב אובדן האנרגיה (הרפיה) של הקיוביט בזמן שהם מתרחשים. הפרויקט כלל שיתוף פעולה עם מדענים מהאוניברסיטה הנורבגית למדע וטכנולוגיה, אוניברסיטת ליידן ואוניברסיטת צ'אלמרס.
הגישה החדשה מסתמכת על בקר קלאסי מהיר שמעדכן את האומדן שלו לגבי קצב הרפיה של קיוביט בתוך אלפיות שניות. זה תואם את המהירות הטבעית של התנודות עצמן, במקום בפיגור של שניות או דקות מאחור כפי שעשו שיטות ישנות יותר.
כדי להשיג זאת, הצוות השתמש במערך שערים לתכנות שדה (FPGA), סוג של מעבד קלאסי המיועד לפעולות מהירות במיוחד. על ידי הפעלת הניסוי ישירות על ה-FPGA, הם יכלו ליצור במהירות "הניחוש הטוב ביותר" של כמה מהר הקיוביט מאבד אנרגיה באמצעות מספר מדידות בלבד. זה ביטל את הצורך בהעברת נתונים איטיים יותר למחשב רגיל.
תכנות FPGA עבור משימות מיוחדות כאלה יכול להיות מאתגר. למרות זאת, החוקרים הצליחו לעדכן את המודל הבייסיאני הפנימי של הבקר לאחר כל מדידת קיוביט בודדת. זה אפשר למערכת לחדד ללא הרף את הבנתה של מצב הקיוביט בזמן אמת.
כתוצאה מכך, הבקר עומד כעת בקצב הסביבה המשתנה של ה-qubit. מדידות והתאמות מתרחשות כמעט באותו טווח זמן כמו התנודות עצמן, מה שהופך את המערכת למהירה בערך פי מאה ממה שהודגם קודם לכן.
העבודה גם חשפה משהו חדש. מדענים לא ידעו בעבר באיזו מהירות מתרחשות תנודות בקיוביטים מוליכים-על. ניסויים אלה סיפקו כעת את התובנה הזו.
חומרה קוונטית מסחרית פוגשת בקרה מתקדמת
FPGAs כבר זמן רב בשימוש בתחומים מדעיים והנדסיים אחרים. במקרה זה, החוקרים השתמשו בבקר מבוסס FPGA זמין מסחרית ממכונות קוונטים בשם OPX1000. ניתן לתכנת את המערכת בשפה דומה ל-Python, שבה פיזיקאים רבים כבר משתמשים, מה שהופך אותה לנגישה יותר לקבוצות מחקר ברחבי העולם.
השילוב של בקר זה עם חומרה קוונטית מתקדמת התאפשר באמצעות שיתוף פעולה הדוק בין קבוצת המחקר של מכון נילס בוהר בראשות פרופסור חבר מורטן קיארגארד ואוניברסיטת צ'אלמרס, שם תוכננה ויוצרת יחידת העיבוד הקוונטי. "הבקר מאפשר אינטגרציה הדוקה מאוד בין לוגיקה, מדידות והזדמנויות: רכיבים אלה אפשרו את הניסוי שלנו", אומר מורטן קירגארד.
מדוע חשוב כיול בזמן אמת עבור מחשבים קוונטיים
טכנולוגיות קוונטיות מבטיחות יכולות חדשות חזקות, אם כי מחשבים קוונטיים מעשיים בקנה מידה גדול עדיין נמצאים בפיתוח. ההתקדמות מגיעה לעתים קרובות בהדרגה, אך מדי פעם מתרחשים צעדים גדולים קדימה.
על ידי חשיפת הדינמיקה הנסתרת בעבר, הממצאים מעצבים מחדש את האופן שבו מדענים חושבים על בדיקה וכיול של מעבדים קוונטיים מוליכים-על. עם החומרים ושיטות הייצור הנוכחיות, המעבר לכיוון ניטור והתאמה בזמן אמת נראה חיוני לשיפור האמינות. התוצאות גם מדגישות את החשיבות של שותפויות בין מחקר אקדמי לתעשייה, יחד עם שימושים יצירתיים בטכנולוגיה זמינה.
"כיום, ביחידות עיבוד קוונטיות באופן כללי, הביצועים הכוללים אינם נקבעים על ידי הקיוביטים הטובים ביותר, אלא על ידי הגרועים שבהם: אלה הם אלה שעלינו להתמקד בהם. ההפתעה מהעבודה שלנו היא שקיוביט 'טוב' יכול להפוך ל'רע' בתוך שברירי שנייה, ולא דקות או שעות.
"עם האלגוריתם שלנו, חומרת הבקרה המהירה יכולה לאתר איזה קיוביט הוא 'טוב' או 'רע' בעצם בזמן אמת. אנחנו יכולים גם לאסוף נתונים סטטיסטיים שימושיים על הקיוביטים ה'רעים' בשניות במקום שעות או ימים.
"עדיין לא נוכל להסביר חלק גדול מהתנודות שאנו צופים בהן. הבנה ושליטה בפיזיקה מאחורי תנודות כאלה במאפייני קיוביט יהיו הכרחיים לשינוי קנה מידה של מעבדים קוונטיים לגודל שימושי", אומר פבריציו.
קישור לכתבת המקור – 2026-02-20 16:03:00
