המלכודת הגיאומטרית לאלקטרונים קוואנטיים

תהיתם אי פעם כיצד אפשר לפתור את בעיות הקוונטום? הפתרון לכך טמון בספרי הגיאומטריה מתקופת התיכון

הפוטנציאל של מחשוב קוואנטי, במידה והוא בר-ניצול מעשי, מחייב גישה חדשה לדינמיקה של אלקטרונים בתוך הרכיבים. טרנזיסטור מקובל, קטן ככל שיהיה, לא מסוגל לטפל באלקטרונים בודדים, רק בזרמים של מיליארדים בבת-אחת. הטרנזיסטור הוא מין "ברז אלקטרונים" וכשהוא "נפתח" (כחלק מפעולה לוגית במעבד, או לצורך כתיבת סיבית בזיכרון) עובר דרך השער (Gate) זרם אלקטרונים חזק יחסית, בתוכו אלקטרונים "אינדיווידואליים" מעבדים את האופי הקוואנטי שלהם. כדי להחזיק מטען חשמלי במקומו, למשל בתא זיכרון, צריך להקיף אותו בחומר מבודד ולהתקין "ברז" בכניסה לקבל. כדי להחזיק אלקטרון בודד במקום אחד אי-אפשר להשתמש בכלים גסים כל-כך. צריך לבנות מאטומים בודדים "חומה" אלקטרומגנטית (בור פוטנציאל), בתוכה הוא נכלא בגלל תכונות הגל שלו, שמוחזר מהענן האלקטרוני שמקיף את גרעיני האטומים. עכשיו, שאנו יודעים לכאורה לרסן את האלקטרון, צריך למצוא דרך איך "לשחרר" אותו בשעת הצורך, כדי שתא הזיכרון יוכל לשנות מצב בין "אפס" ל"אחד", או כדי שהפלט של שער לוגי אחד ישמש קלט לשערים אחרים.

קבוצת מחקר של דון אייגלר, ממעבדות Almaden של IBM, מצאה את הפתרון לכך בספרי הגיאומטריה התיכונית. במקום להקיף את האלקטרון בחומת אטומים עגולה, הם בנו חומה אליפטית, עם שני מוקדים גיאומטריים. וכפי שלמדנו בשיעורי אופטיקה גיאומטרית, אור הקורן ממוקד אחד של האליפסה מתנקז למוקד השני. בצורה דומה, בגל שמתאר את מקום האלקטרון, שני המוקדים נמצאים ב"רזוננס" אחד ביחס לשני. (הדבר נובע מהגדרת האליפסה כמקום הגיאומטרי של הנקודות, שסכום מרחקיהם משני המוקדים הוא קבוע. באורך גל נתון, הפרש הפאזה בין שני המוקדים הוא קבוע. אורך הגל הוא קנה מידה לאנרגיה של האלקטרון ועל ידי שינוי פוטנציאל הבור ניתן לשלוט בו.) שימוש בעקרון הזה מאפשר למדעני יבמ להזיז אלקטרונים ממוקד למוקד ולהפוך את האליפסה המיניאטורית לתא זיכרון בן שני מצבים.

בניית שערים לוגיים היא קשה יותר, אך החוקרים מאמינים כי עקרונות דומים יוכלו להתאים גם לביצוע פעולות בסיסיות, כמו AND, XOR וכדומה. הם מאמינים כי הגיאומטריה מאפשרת לבנות מבוכים אטומיים בעלי תכונות רזוננס (תהודה) ספציפיות. למשל, AND זה מבנה בו שלושת הפתחים (שתי כניסות ויציאה אחת) נמצאים ברזוננס בו-זמנית ואילו במבנה של XOR רק שני פתחים יכולים להיות ברזוננס סימולטנית. במחשב הקוואנטי שהם מדמיינים כל המעגלים הלוגיים הם מבנים אטומיים מהסוג הזה וגם החיבורים בין אלמנטים בסיסיים נעשים על ידי דינמיקת התפשטות פונקצית הגל - בלי מוליכים מתכתיים וללא מבודדים דיאלקטריים. מסלולי הגלים יקבעו לפי הגיאומטריה האטומית, שאוסרת על הימצאות האלקטרונים באזורים מסוימים ומתעלת אותם במעגלים הרצויים. העבודה רחוקה מיישום מעשי שנים ארוכות. הקפיצה הטכנולוגית מהמצב הנוכחי אינה קטנה מהקפיצה בשנות ה-50 וה-60, משפופרות וואקום ורכיבים בדידים לטרנזיסטורים ומעגלים משולבים. אבל במעבדות Almaden יש מקום גם למי שמתייחס לשנת 2020 כטווח הקצר.