מוליכי-על, יונים לכודים, אטומים ניטרליים, פוטוניים, ספין ועוד: השוואה בין מודליוּת קיוביטים

השוואה מעשית בין מודליוּת הקיוביטים המובילות—מוליכי-על, יונים לכודים, אטומים ניטרליים, פוטוניים, ספין, טופולוגיים ואנילינג קוונטי.

עמוד זה תורגם מאנגלית. שמות החברות והמוצרים וקישורי המקור נותרו ללא שינוי. לקריאת המקור באנגלית

מודליוּת שונות של קיוביטים שואפות לאותה מטרה—ביטים קוונטיים ושערים בני-שליטה—אך נשענות על הימורים הנדסיים שונים מאוד. חלקן מדגישות יכולת ייצור, חלקן מדגישות קוהרנטיות או איכות מדידה, ואחרות מכוונות לעמידות מובנית לשגיאות או לאופטימיזציה במקום לחישוב כללי במודל השערים.

למה "מודליוּת קיוביט" חשובה

קיוביט הוא כל מערכת קוונטית דו-רמתית שניתן לשלוט בה. בפועל, ההגדרה הרחבה הזאת מובילה לחומרה שונה מאוד: מעגלי מוליכי-על על שבבים, יונים המרחפים במלכודות אלקטרומגנטיות, אטומים ניטרליים המסודרים באמצעות מלקחיים אופטיים, פוטונים הנעים דרך רשתות אופטיות, ספינים בהתקנים מוליכים-למחצה, וגם מערכות ספקולטיביות יותר המבוססות על אניונים.

הבחירות הללו חשובות משום שמעבד שימושי זקוק ליותר מאשר רק קיוביטים. בכל הארכיטקטורות חוזרות שוב ושוב דרישות כמו היכולת לאתחל קיוביטים, ליישם קבוצה אוניברסלית של שערים, לשמר מידע קוונטי מספיק זמן כדי לחשב, למדוד תוצאות בדיוק, ולהתרחב למערכות גדולות יותר. אין מודליוּת אחת ששולטת בכל ממד.

דרך מועילה לחשוב על התחום היא שכל פלטפורמה ממטבת צוואר בקבוק אחר. מערכות מוליכי-על נשענות על ייצור שבבים מבוסס היטב והפכו לגישה התעשייתית הדומיננטית ליחידות עיבוד קוונטיות. יונים לכודים בולטים בדיוק פעולה גבוה מאוד. אטומים ניטרליים מציעים מערכים צפופים וברי-תצורה מחדש ואינטראקציות חזקות באמצעות חסימת רידברג. מערכות פוטוניות נהנות מההתאמה הטבעית של פוטונים לתקשורת. קיוביטי ספין מנסים לנצל את תעשיית הייצור המרכזית של מוליכים-למחצה. חישוב טופולוגי מבטיח חסינות מובנית אך עדיין אינו מיושב ניסויית. אנילינג קוונטי שונה שוב: הוא מכוון לאופטימיזציה ולא למכלול המלא של חישוב במודל השערים.

מבט זה לצד זה

מודליוּת	נשא פיזיקלי	איך שערים/אינטראקציות פועלים	יתרונות בולטים	אתגרים או הסתייגויות עיקריים
מוליכי-על	מעגלי מוליכי-על בתדרי מיקרוגל עם צמתי ג'וזפסון	פולסי מיקרוגל לשערי קיוביט יחיד; חילוף קוהרנטי או צימוד פרמטרי לשערי שני קיוביטים	הארכיטקטורה התעשייתית הדומיננטית; תואמת לייצור במצב מוצק; דווח על מעבדים עם יותר מ-1,000 קיוביטים	מחייבת טמפרטורות נמוכות במיוחד; הקוהרנטיות הייתה היסטורית קצרה, אם כי השתפרה משמעותית
יון לכוד	אטומים טעונים הכלואים בשדות אלקטרומגנטיים	לייזרים מניעים מעברי קיוביט יחיד ומצמדים מצבים פנימיים לתנועה המשותפת לצורך שזירה	פעולות יסוד הודגמו בדיוק הגבוה ביותר; אתחול וקריאה בנאמנות גבוהה	קשה להרחיב למספר רב של יונים במלכודת אחת; התנועה נעשית מורכבת יותר ככל שהמערכות גדלות
אטום ניטרלי	אטומים מקוררי לייזר, לרוב במלקחיים אופטיים	לייזרים לשליטה בקיוביט יחיד; חסימת רידברג לשערי שזירה כגון CZ	אינטראקציות חזקות וניתנות למיתוג; דווחה נאמנות של 0.999 לקיוביט יחיד; הודגמו 48 קיוביטים לוגיים	דורש שליטת לייזר מדויקת ותנאי ריווח קרובים עבור שערים מבוססי חסימה
פוטוני / LOQC	פוטונים במצבים אופטיים	רכיבים אופטיים ליניאריים יחד עם גלאים, עזרים, טלפורטציה ותיקון שגיאות בסכמות בסגנון KLM	התאמה טבעית להעברה; חישוב אוניברסלי אפשרי עקרונית; משתלב בקלות במשימות תקשורת	פוטונים מקיימים אינטראקציה חלשה, ולכן לוגיקה של שני קיוביטים עלולה לדרוש משאבים רבים ולהיות לא דטרמיניסטית
קיוביט ספין	ספין של אלקטרון או חור בהתקנים מוליכים-למחצה, לרוב נקודות קוונטיות	חילוף באמצעות מתחי שער בין-נקודתיים בפולסים; סיבובי ספין מקומיים ללוגיקה	יכול להשתמש במפעלי ייצור וייפרי סיליקון תקניים של התעשייה; חלק מההתקנים פועלים בכמה קלווין	דורש שליטה קפדנית במרווחי רמות, בתזמון פולסים ובדה-קוהרנטיות
טופולוגי	אניונים במערכות דו-ממדיות, עם חישוב באמצעות קליעה	קליעות של קווי העולם של אניונים מממשות שערים	עקרונית חסין לשגיאות מסלול קטנות; נתיב מוצע לסבילות לשגיאות	אניונים לא-אבליים נדרשים עדיין שנויים במחלוקת מבחינה ניסויית
אנילינג קוונטי	מערכת קוונטית המתפתחת בזמן לצורכי אופטימיזציה, לרוב דמוית Ising	שינוי איטי של שדה רוחבי כדי לחפש פתרונות בעלי אנרגיה נמוכה	נבנה במיוחד לאופטימיזציה קומבינטורית; קיימות מערכות מסחריות	לא ידוע כשקול לחישוב קוונטי אוניברסלי במודל השערים

קיוביטי מוליכי-על: יתרון ייצור, נטל קריוגני

מחשוב קוונטי מבוסס מוליכי-על משתמש במעגלים אלקטרוניים מוליכי-על, בדרך כלל מעגלים בתדרי מיקרוגל עם צמתי ג'וזפסון, הבנויים על שבבים במצב מוצק. צומת ג'וזפסון הוא הרכיב הלא-קלאסי המרכזי משום שההשראות הלא-ליניארית שלו יוצרת ריווח לא שווה בין רמות האנרגיה, מה שמאפשר למהנדסים להתייחס לשתי הרמות הנמוכות כאל קיוביט.

היתרון הברור ביותר של מודליוּת זו הוא יכולת הייצור המעשית. זו גישת מצב-מוצק והיא שואלת שיטות ייצור מעולם השבבים הקונבנציונלי. המאמר על מחשוב קוונטי מבוסס מוליכי-על מתאר אותה כשיטה התעשייתית הדומיננטית לבניית QPUs, עם עבודה בחברות ובהן Google, IBM, IMEC, BBN Technologies, Rigetti ו-Intel.

הוויתור הגדול ביותר הוא סביבת העבודה הנדרשת. מכיוון שמוליכות-על מתקיימת רק בטמפרטורות נמוכות מאוד, המערכות הללו חייבות לפעול בתנאים קרים במיוחד. הן גם עדיין מתמודדות עם האתגר הכללי של דה-קוהרנטיות. המאמר על מחשוב קוונטי מבוסס מוליכי-על מציין שלקיוביטי מוליכי-על מוקדמים הייתה קוהרנטיות קצרה מננו-שנייה, מה שהפך חישוב ללא מעשי, אך הקוהרנטיות השתפרה בכחמישה סדרי גודל לאורך שני עשורים. טרנסמונים, שהוצגו ב-2007 כדי להפחית רגישות לרעש מטען, הפכו לתכנון הדומיננטי והגיעו ל-10–100 מיקרו-שניות של קוהרנטיות. קיוביט fluxonium חצה 1 ms ב-2021, ועד 2025 גם טרנסמונים מוליכי-על הגיעו לזמני קוהרנטיות של מילישניות.

מבחינת היקף, חומרת מוליכי-על מובילה כיום במספר הקיוביטים הגולמי: עד 2025 מעבדים עברו את רף 1,000 הקיוביטים, עם IBM Condor ב-1,121 קיוביטים. אותו מקור מצטט גם את טענת דגימת המעגלים האקראיים של Google מ-2019 על Sycamore ואת ההכרזה מ-2025 על אחד מיתרונות הקוונטים הראשונים שניתנים לאימות עצמאי באמצעות Willow. למרות זאת, ההדגמות הללו אינן מכריעות את השאלה הרחבה יותר איזה מודליוּת תהיה הטובה ביותר לחישוב שימושי וסביל-שגיאות.

יונים לכודים: דיוק קודם, סקיילינג אחר כך

מחשבים קוונטיים מבוססי יונים לכודים מאחסנים קיוביטים במצבים אלקטרוניים יציבים של יונים הכלואים במרחב חופשי על ידי שדות אלקטרומגנטיים. השזירה מתווכת דרך התנועה הקוונטית המשותפת של היונים, ולייזרים מספקים את הבקרה הן לפעולות על קיוביט יחיד והן לפעולות על שני קיוביטים.

האטרקציה המרכזית כאן היא דיוק. המאמר על מחשב קוונטי מבוסס יונים לכודים אומר שפעולות היסוד של מחשב קוונטי הודגמו ניסויית בדיוק הגבוה ביותר במערכות של יונים לכודים. אתחול באמצעות שאיבה אופטית יכול לעלות על נאמנות של 99.9%, מדידה יכולה לעלות על 99.99%, נאמנות של שער קיוביט יחיד יכולה להיות גבוהה מ-99%, וגם מימושי שערי שזירה עברו את 99%.

האתגר הוא סקיילינג. כמה יונים במלכודת אחת מקיימים אינטראקציה דרך כוחות קולון, וככל שמוסיפים עוד יונים, המבנה הרטטִי נעשה מורכב יותר, מה שמקשה על האתחול ועל החישוב. לכן רעיונות ההתרחבות בתחום מתמקדים במודולריות: הובלת יונים בין אזורי מלכודת, שימוש במערכי מלכודות דו-ממדיים, או רישות פוטוני של שרשראות יונים מרוחקות. נכון לדצמבר 2023, קבוצת היונים הלכודים הגדולה ביותר שעליה דווח כשזורה באופן נשלט הייתה 32 יונים.

זה הופך יונים לכודים למועמד חזק לחישוב קוונטי אוניברסלי, אך כזה שבו המאמץ ההנדסי מתרכז בארכיטקטורה ובאינטגרציית מערכות ולא בהוכחת איכות פעולות היסוד.

אטומים ניטרליים: מערכים ברי-תצורה מחדש ופיזיקת חסימה חזקה

מחשוב קוונטי באטומים ניטרליים חולק כמה מאפיינים עם יונים לכודים, אך מחליף חלקיקים טעונים באטומים מקוררי לייזר, שלרוב נשלטים במלכודות מגנטו-אופטיות ובמלקחיים אופטיים. קיוביטים מקודדים ברמות אנרגיה אטומיות, מוכנים באמצעות שאיבה אופטית, נשלטים באמצעות לייזרים או שדות בתדרי מיקרוגל, ונמדדים באמצעות דימות פלואורסצנטי.

המנגנון המזוהה ביותר איתו הוא חסימת רידברג. כאשר אטומים מעוררים למצבי רידברג גבוהים, האינטראקציות ביניהם עשויות להתחזק באופן דרמטי. המאמר על מחשב קוונטי מבוסס אטומים ניטרליים נותן המחשה קונקרטית: במרחק של 10 מיקרומטרים, האינטראקציה בין שני אטומים במצב היסוד היא בערך 10^-5 Hz, בעוד שהאינטראקציה בין שני אטומים המעוררים למצב רידברג היא בערך 100 MHz. במשטר החסימה, עירור של אטום אחד מונע בפועל מאטומים סמוכים להתעורר לאותו מצב רידברג, וכך נוצר מנגנון שזירה נשלט.

עוצמת האינטראקציה הזאת עומדת בבסיס שערי בקרה מהירים של שני קיוביטים כגון CZ, בעוד שנאמנויות של קיוביט יחיד הודגמו עד 0.999 בניסויי קצה. המאמר על מחשב קוונטי מבוסס אטומים ניטרליים גם אומר שהגישה הזו שימשה להדגמת מעבד של 48 קיוביטים לוגיים נכון לדצמבר 2023.

הוויתור הוא מורכבות השליטה: שערי חסימה תלויים בגיאומטריה, בהיסט תדר ובדיוק הלייזר. ועדיין, אטומים ניטרליים בולטים בשילוב של מערכים ברי-תצורה מחדש עם אינטראקציית שזירה טבעית שמתחזקת רק כשצריך.

מחשוב פוטוני: תקשורת-מובנית, דל באינטראקציות

מחשוב קוונטי פוטוני או אופטי-ליניארי משתמש בפוטונים כנשאי המידע ומעבד אותם באמצעות רכיבים אופטיים כגון מראות, מפצלי אלומה, מזיזי מופע, גלאים וזיכרונות קוונטיים.

המשיכה ברורה. פוטונים טובים מטבעם לייצוג, להעברה ולזיהוי של מצבים קוונטיים, ולכן מערכות פוטוניות אטרקטיביות כאשר חישוב ותקשורת צריכים לחיות באותה מסגרת. המאמר על מחשוב קוונטי אופטי-ליניארי גם מציין שרשתות אופטיות ליניאריות יכולות לממש טרנספורמציות יוניטריות שרירותיות ושחישוב קוונטי אוניברסלי אפשרי עקרונית.

אבל פוטונים "כמעט שאינם מקיימים אינטראקציה" זה עם זה, וזו כאב הראש ההנדסי המרכזי. לכן לוגיקה של שני קיוביטים קשה למימוש ישיר ועלולה להפוך לכבדה מבחינת משאבים. פרוטוקול KLM התמודד עם זה כשהראה בשנת 2000 שאפשר לבנות חישוב קוונטי אוניברסלי מרכיבים אופטיים ליניאריים, מקורות לפוטון יחיד, גלאים, מצבי עזר, טלפורטציה ותיקון שגיאות, ובכך ליצור בפועל התנהגות לא-ליניארית שימושית באמצעות מדידה ופוסט-סלקציה. זה הופך את LOQC למבטיח, אך לעיתים קרובות ללא דטרמיניזם ועלול להיות לא יעיל מבחינת משאבים.

המאמר על מחשוב קוונטי אופטי-ליניארי מבדיל גם בין דגימת בוזונים, שאינה נחשבת לאוניברסלית אך שימשה להדגמות בסגנון עליונות קוונטית.

קיוביטי ספין: תאימות למוליכים-למחצה כאסטרטגיה

מחשוב קוונטי מבוסס קיוביטי ספין מאחסן מידע בספין של נושאי מטען בהתקנים מוליכים-למחצה, במיוחד אלקטרונים הכלואים בנקודות קוונטיות. הנקודה האסטרטגית החשובה היא תאימות לייצור מוליכים-למחצה מיינסטרימי. המאמר על מחשב קוונטי מבוסס קיוביטי ספין אומר שקיוביטי ספין המבוססים על אטומי סיליקון יכולים להיות מיוצרים במפעלי וייפרי סיליקון תקניים של התעשייה המשמשים לייצור שבבי לוגיקה.

הצעת Loss–DiVincenzo משתמשת במתחי שער בין-נקודתיים בפולסים כדי לשלוט באינטראקציות חילוף ובמניפולציה מקומית של ספין לצורך בניית פעולות לוגיות, כולל CNOT, דרך שילובים של שערים דמויי swap וסיבובי ספין יחיד.

המשיכה ברורה: אם יהיה אפשר להרחיב קיוביטי ספין, הם יוכלו לרכוב על תשתית הייצור של האלקטרוניקה הקונבנציונלית. חלק מההתקנים גם פועלים בכמה קלווין, ומתוארים במאמר על מחשב קוונטי מבוסס קיוביטי ספין כ-"hot qubits", מה שעשוי לסייע להתרחבות ביחס לפלטפורמות הזקוקות לסביבה קרה יותר. אבל המגבלות הדוקות: מרווח הרמות חייב לעלות על האנרגיה התרמית, פולסים חייבים להימנע מאכלוס מצבים אורביטליים גבוהים יותר, ודה-קוהרנטיות חייבת להישאר איטית יותר מפעולות השער.

מחשוב קוונטי טופולוגי: רעיון אלגנטי, מציאות לא מוכרעת

מחשוב קוונטי טופולוגי מאחסן מידע במצבים אניוניים ומבצע שערים באמצעות קליעה של קווי עולם במרחב-זמן. היתרון המושגי הוא חסינות: הפרעות קטנות עשויות לשנות מסלולים מפורטים בלי לשנות את המחלקה הטופולוגית של הקליעה, ולכן המידע המקודד יכול להיות מטבעו פחות רגיש לשגיאות מסוימות.

בתיאוריה, מחשבים קוונטיים טופולוגיים יכולים להשתוות בעוצמה החישובית שלהם למחשבים קוונטיים סטנדרטיים. אבל ההסתייגות הניסויית המרכזית חמורה: אניונים לא-אבליים הנדרשים לגרסאות הרלוונטיות ביותר של מחשוב טופולוגי לא אושרו ניסויית באופן שאינו שנוי במחלוקת. המאמר על מחשב קוונטי טופולוגי אומר שראיות שנטען כי קשרו לפיזיקה של Majorana הוטלו בספק, ולפחות טענה בולטת אחת מ-2018 הוסרה ב-2021.

לכן מחשוב טופולוגי נשאר חשוב כרעיון של סבילות לשגיאות, אך עדיין אינו ניצב על אותה קרקע מעשית כמו הגישות של מוליכי-על, יונים לכודים, אטומים ניטרליים, פוטונים או ספין.

אנילינג קוונטי: לא מודליוּת קיוביט כללית, אבל כן רלוונטי

לעיתים קרובות דנים באנילינג קוונטי לצד מודליוּת קיוביטים, אך נכון יותר להבין אותו כמודל חישוב שונה. הוא מכוון בעיקר לבעיות אופטימיזציה, במיוחד בעיות קומבינטוריות עם מקסימות מקומיות רבות. השיטה מתחילה בסופרפוזיציה קוונטית רחבה ומשנה באיטיות שדה רוחבי כך שהמערכת נוטה לסיים סמוך למצב היסוד של המילטוניאן הבעיה.

אנילינג קוונטי מצביע על יתרון פוטנציאלי לעומת אנילינג מדומה בנופים בעלי מחסומים גבוהים מאוד אך דקים, שבהם מנהור קוונטי עשוי לסייע ביציאה ממינימות מקומיות בצורה יעילה יותר מתנועה תרמית. קיימות מערכות מסחריות: D-Wave הכריזה על האנילר הקוונטי המסחרי הראשון ב-2011.

הארכיטקטורה של D-Wave שונה ממחשבים קוונטיים אוניברסליים מסורתיים ואינה יכולה להריץ את האלגוריתם של Shor, משום שחסרות לה פעולות השער המדויקות והתמרות פורייה הקוונטיות שהאלגוריתם הזה דורש. טענות להאצה נשארות תלויות-בעיה ולא מוכרעות באופן כללי.

אז איזו מודליוּת היא "הטובה ביותר"?

התשובה הכנה היא ש-"הטובה ביותר" תלויה במה ממטבים. אם רוצים מומנטום תעשייתי נוכחי ומעבדים גדולים בקנה מידה של שבב, מוליכי-על מובילים. אם רוצים את דיוק הפעולה המודגם החזק ביותר, יונים לכודים משכנעים במיוחד. אם רוצים מערכים ברי-תצורה מחדש ואינטראקציות חזקות לפי דרישה, אטומים ניטרליים הם מתמודד רציני. אם רישות וקיוביטים נעים הם החשובים ביותר, לפוטוניקה יש יתרונות מבניים. אם תאימות לתהליכי מוליכים-למחצה היא העדיפות, קיוביטי ספין אטרקטיביים אסטרטגית. אם רוצים עמידות מובנית לשגיאות, רעיונות טופולוגיים מפתים אך עדיין לא הוכחו ניסויית. אם הבעיה היא אופטימיזציה ולא חישוב אוניברסלי, אנילינג קוונטי עשוי להיות קבוצת ההשוואה הרלוונטית.

נקודות מפתח

מודליוּת קיוביטים נבדלות בעיקר במערכת הפיזיקלית שנושאת את הקיוביט ובאופן שבו מהנדסים את האינטראקציות.
קיוביטי מוליכי-על משלבים כיום אימוץ תעשייתי חזק עם מעבדים גדולים, אך הם דורשים קריוגניקה קיצונית ועדיין נאבקים בדה-קוהרנטיות.
יונים לכודים בולטים בדיוק שערים, אתחול ומדידה, אף שהתרחבות למערכות גדולות תובענית מבחינה ארכיטקטונית.
אטומים ניטרליים משתמשים בחסימת רידברג כדי ליצור אינטראקציות חזקות מאוד וברות-שליטה ותומכים במערכים ברי-תצורה מחדש.
מחשוב פוטוני מיושר באופן טבעי עם תקשורת קוונטית, אך אינטראקציות פוטון-פוטון חלשות, מה שהופך לוגיקה אוניברסלית לתובענית במשאבים.
קיוביטי ספין אטרקטיביים משום שהם יכולים למנף ייצור קונבנציונלי של מוליכים-למחצה, במיוחד בסיליקון.
מחשוב קוונטי טופולוגי מציע בתיאוריה סיפור משכנע של חסינות, אך הקוואזי-חלקיקים הנדרשים לו עדיין שנויים במחלוקת ניסויית.
אנילינג קוונטי חשוב לאופטימיזציה, אך אין לבלבל בינו לבין מחשוב קוונטי אוניברסלי במודל השערים.