מדידות מדויקות במחשבים קוונטיים

בחיי היום יום, אם אנחנו רוצים למדוד את האורך של משהו – אנחנו מצמידים אליו סרגל, או סרט מדידה. בעולם הקוונטי, לעומת זאת, ברגע שאנחנו מבצעים מדידה - אנחנו משנים את האובייקט שמדדנו. "בעולם הקוונטי, האובייקט יכול להיות בו-זמנית באורך של 1 או 2 ננומטר, למשל. ברגע שאנחנו מודדים את האורך - אנחנו בעצם מאלצים אותו להיות 1 או 2. כך שהמדידה לא רק בודקת מה האורך של האובייקט – אלא קובעת אותו," מסביר ד"ר אלי כהן, תיאורטיקן בתחום ההנדסה הקוונטית. "במקביל, מעצם זה שהתערבנו ומדדנו, אנחנו מכניסים רעש למהירות שלו, מבלבלים אותה והופכים אותה לאי וודאית. התופעה הזו של קיבוע ערך אחד והכנסת אי-וודאות לערכים האחרים מכונה קריסה. כדי למזער את הקריסה, פותחה בעבר שיטת מדידה קוונטית שנקראת מדידה חלשה. לשיטה הזו יש הרבה יתרונות, גם קונספטואליים וגם יישומיים. ברוב המקרים היא לא מובילה לקריסת המערכת, וגם לא מכניסה אי ודאות למשתנים האחרים שלה – אבל היא מספקת פחות אינפורמציה לגבי המערכת הנמדדת".

מחקר שביצעו לאחרונה חוקרים ממכון וייצמן ומ-National University of Defense Technology שבסין, בשיתוף עם ד"ר כהן, (בן 34, נשוי ואב לשניים), מדגים את שתי השיטות האלה, וגם את כל מה שביניהן. המחקר, שמאמר אודותיו פורסם בחודש שעבר במגזיןNature Physics , בחן מעבר בין מדידות חלשות לחזקות של יונים לכודים (Trapped-ion System). "במסגרת המחקר לכדנו יון סידן במלכודת אופטית וצימדנו את רמות האנרגיה הפנימיות שלו לתנע הצירי שלו (axial momentum), כך שהשינוי הסופי במיקום של היון אמר לנו מה האנרגיה הפנימית שלו. מעניין לציין שהמערכת נבנתה כך שהצימוד הזה, בין התנע לרמות האנרגיה הפנימיות, יכול להיות בעוצמה משתנה: הצימוד יכול להיות חלש, ובמצב כזה המיקום מוסר מעט אינפורמציה לגבי רמות האנרגיה הפנימיות - אבל הוא לא יגרום לקריסה לאחת מרמות האנרגיה. במצב כזה היון נשאר במצב סופר-פוזיציה קוהרנטית, בו אפשר לראות התאבכות בין שתי הרמות. אבל הצימוד יכול להיות גם חזק, למדוד את המיקום ולומר לנו חד משמעית מה רמת האנרגיה הפנימית – וזו כבר מדידה חזקה."

יונים לכודים מהווים את אחת הפלטפורמות המובילות למימוש של מחשב קוונטי. השיטה המוצעת תאפשר למעשה לבדוק מה המצב של המחשב בכל רגע נתון, ולנתר את תכונותיו מבלי לגרום לקריסתו, כך שהוא יוכל להמשיך לרוץ ולבצע את החישוב תוך כדי המדידה. יתרון נוסף של השיטה המוצעת קשור ביכולתה של המדידה החלשה לבצע מדידות מדויקות על פני צברים גדולים, בזכות אפקט הגברה שנקרא Weak Value Amplification. "התוצאה של מדידה חלשה יכולה להיות הרבה הרבה יותר גדולה מהתוצאה של מדידה חזקה, ולכן במקרים מסוימים היא מעניקה תוספת רגישות לשערוך של פרמטרים קטנים בסביבה רועשת," אומר כהן.

השיטה המוצעת, מסכם כהן, היא מאוד ורסטילית "בניגוד לשיטות המדידה עד עתה, השיטה הזאת מאפשרת למדוד יונים לכודים בכל עוצמה שנרצה, החל ממדידה חזקה חד משמעית וכל הרצף עד למדידה חלשה מאוד, והנסיין יכול להחליט מה הוא מעדיף באותו רגע: האם חשובה לו האינפורמציה, והוא מוכן בשביל זה לעצור את הפעולה של המחשב, או שהוא צריך מעט אינפורמציה ומעדיף שהמחשב ימשיך לרוץ. השיטה הזו מהווה עוד צעד בדרך למימוש ושיפור של מחשבים קוונטיים ומדידות מדויקות."

לקריאת המאמר המלא במגזין Nature Physics, לחצו כאן