The high-stakes race to make quantum computers work - Chiara Decaroli

תרגום: Ido Dekkers עריכה: Allon Sasson

The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology

התוכן של צילינדר המתכת הזה יכול לעשות מהפכה בטכנולוגיה

or be completely useless—

או להיות לגמרי חסר תועלת --

it all depends on whether we can harness the strange physics of matter

הכל תלוי באם נוכל לרתום את הפיזיקה המוזרה של החומר

at very, very small scales.

בקנה מידה ממש ממש זעיר.

To have even a chance of doing so,

כדי שיהיה לנו סיכוי לעשות זאת,

we have to control the environment precisely:

אנחנו צריכים לשלוט בסביבה במדויק:

the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps,

השולחן העבה והרגליים מגינים נגד רטיטות מצעדים,

nearby elevators, and opening or closing doors.

מעליות קרובות, ופתיחת או סגירת דלתות.

The cylinder is a vacuum chamber,

המיכל הוא תא ואקום,

devoid of all the gases in air.

מרוקן מכל הגזים באויר.

Inside the vacuum chamber is a smaller,

בתוך תא הואקום,

extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams.

יש תא קטן יותר, וקר מאד, שניתן להגיע אליו רק עם קרני לייזר זעירות.

Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.

בפנים יש חלקיקים אולטרה רגישים שיוצרים מחשב קוואנטי.

So what makes these particles worth the effort?

אז מה הופך את החלקיקים האלה לשווים את המאמץ?

In theory, quantum computers could outstrip the computational limits

בתאוריה, מחשבים קוואנטיים יכולים להסיר את המחסומים החישוביים

of classical computers.

של מחשבים קלאסיים.

Classical computers process data in the form of bits.

מחשבים קלאסיים מעבדים מידע בצורה של ביטים.

Each bit can switch between two states labeled zero and one.

כל ביט יכול להיות ממותג בין שני מצבים שמכונים אפס ואחד.

A quantum computer uses something called a qubit,

מחשב קוואנטי משתמש במשהו שנקרא קיוביט,

which can switch between zero, one, and what’s called a superposition.

שיכול למתג בין אפס, אחד, ומה שנקרא סופר פוזיציה.

While the qubit is in its superposition,

כשהקיוביט נמצא בסופר פוזיציה,

it has a lot more information than one or zero.

יש לו הרבה יותר מידע מאחד ואפס.

You can think of these positions as points on a sphere:

אתם יכולים לחשוב על המצבים האלה כנקודות על ספירה:

the north and south poles of the sphere represent one and zero.

הקוטב הצפוני והדרומי של הספירה מייצגים אחד ואפס.

A bit can only switch between these two poles,

ביט יכול למתג בין שני הקטבים האלה,

but when a qubit is in its superposition,

אבל כשקיוביט נמצא בסופר פוזיציה,

it can be at any point on the sphere.

הוא יכול להיות על כל נקודה על הספירה.

We can’t locate it exactly—

אנחנו לא יכולים למקם אותו בדיוק --

the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one.

ברגע שאנחנו קוראים אותו, הקיוביט מיתרגם לאפס או אחד.

But even though we can’t observe the qubit in its superposition,

אבל אפילו שאנחנו לא יכולים להבחין בקיוביט במצב הסופר פוזיציה,

we can manipulate it to perform particular operations while in this state.

אנחנו יכולים להשפיע עליו כדי שיבצע פעולות מסוימות במצב הזה.

So as a problem grows more complicated,

אז כשבעיה הופכת ליותר מורכבת,

a classical computer needs correspondingly more bits to solve it,

מחשב קלאסי צריך בהתאם יותר ביטים כדי לפתור אותה,

while a quantum computer will theoretically be able to handle

בעוד מחשב קוואנטי תאורטית יהיה מסוגל להתמודד

more and more complicated problems

עם בעיות יותר ויותר מורכבות

without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.

בלי לדרוש אותה כמות של קיוביטים כמו שמחשב קלאסי יצטרך ביטים.

The unique properties of quantum computers

התכונות היחודיות של מחשבים קוואנטיים

result from the behavior of atomic and subatomic particles.

מגיעות מהתנהגות של חלקיקים אטומיים ותת אטומיים.

These particles have quantum states,

לחלקיקים האלה יש מצבים קוואנטיים,

which correspond to the state of the qubit.

שתואמים למצב של הקיוביט.

Quantum states are incredibly fragile,

מצבים קוואנטיים הם שבירים ביותר,

easily destroyed by temperature and pressure fluctuations,

ומושמדים בקלות על ידי שינויים בטמפרטורה ובלחץ,

stray electromagnetic fields,

שדות אלקטרומגנטיים תועים

and collisions with nearby particles.

והתנגשויות עם חלקיקים קרוביים.

That’s why quantum computers need such an elaborate set up.

לכן מחשבים קוואנטים מצריכים סביבת הקמה כה מורכבת.

It’s also why, for now,

וזו גם הסיבה, בינתיים,

the power of quantum computers remains largely theoretical.

שהכוח של מחשבים קוואנטיים נשאר בעיקר תאורטי.

So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.

עד עכשיו, אנחנו יכולים לשלוט רק בכמה קיוביטים באותו מקום באותו זמן.

There are two key components involved

יש שני רכיבים עיקריים שמעורבים

in managing these fickle quantum states effectively:

בניהול המצבים הקוואנטיים ההפכפכים האלה:

the types of particles a quantum computer uses,

סוגי החלקיקים בהם מחשב קוואנטי משתמש,

and how it manipulates those particles.

ואיך הוא משפיע על החלקיקים האלה.

For now, there are two leading approaches:

בינתיים, יש שתי שיטות מובילות:

trapped ions and superconducting qubits.

יונים לכודים וקיוביטים סופר מוליכים.

A trapped ion quantum computer uses ions as its particles

מחשבים קוואנטיים מסוג יון לכוד משתמשים ביונים כחלקיקים

and manipulates them with lasers.

ומשפיעים עליהם עם לייזרים.

The ions are housed in a trap made of electrical fields.

היונים מוכלים במלכודת שבנויה משדות מגנטיים.

Inputs from the lasers tell the ions what operation to make

קלטים מהלייזרים אומרים ליונים איזה פעולות לבצע

by causing the qubit state to rotate on the sphere.

על ידי גרימה למצב הקיוביט להסתובב על הספירה.

To use a simplified example,

כדי להשתמש בדוגמה מופשטת,

the lasers could input the question:

הליזרים יכולים להכניס שאלה:

what are the prime factors of 15?

מהם הגורמים הראשוניים של 15?

In response, the ions may release photons—

בתגובה, היונים יכולים לשחרר פוטונים --

the state of the qubit determines whether the ion emits photons

מצב הקיוביט קובע אם היון פולט פוטונים

and how many photons it emits.

וכמה פוטונים הוא פולט.

An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer:

מערכת דימות אוספת את הפוטונים האלה ומעבדת אותם כדי לגלות את התשובה:

3 and 5.

3 ו 5.

Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way:

מחשבי קיוביטים סופר מוליכים עושים את אותו הדבר בדרך שונה:

using a chip with electrical circuits instead of an ion trap.

בשימוש בצ'יפ עם מעגלים חשמליים במקום מלכודת יונים.

The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit.

המצב של כל מעגל חשמלי מיתרגם למצב של הקיוביט.

They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves.

אפשר להשפיע עליהם עם קלטים חשמליים בצורה של גלי מיקרו.

So: the qubits come from either ions or electrical circuits,

אז: הקיוביטים מגיעים או מיונים או ממעגלים חשמליים,

acted on by either lasers or microwaves.

שפועלים עליהם לייזרים או גלי מיקרו.

Each approach has advantages and disadvantages.

לכל גישה יש יתרונות וחסרונות.

Ions can be manipulated very precisely,

על יונים אפשר לפעול מאוד במדויק,

and they last a long time,

והם נשארים הרבה זמן,

but as more ions are added to a trap,

אבל ככל שמוסיפים יותר יונים למלכודת,

it becomes increasingly difficult to control each with precision.

נעשה קשה יותר ויותר לשלוט בכל אחד מהם במדויק.

We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations,

אנחנו לא יכולים להכיל כרגע מספיק יונים במלכודת כדי לעשות חישובים מתקדמים,

but one possible solution might be to connect many smaller traps

אבל פתרון אפשרי אחד אולי יהיה לחבר הרבה מלכודות קטנות יותר

that communicate with each other via photons

שמתקשרות אחת עם השניה דרך פוטונים

rather than trying to create one big trap.

במקום לנסות ליצור מלכודת גדולה.

Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions,

מעגלים סופר מוליכים, בינתיים, מבצעים פעולות הרבה יותר מהר מיונים לכודים,

and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer

וזה קל יותר להגדיל את מספר המעגלים במחשב

than the number of ions.

ממספר היונים.

But the circuits are also more fragile,

אבל המעגלים יותר שבירים,

and have a shorter overall lifespan.

ויש להם אורך חיים קצר בהרבה.

And as quantum computers advance,

וכשמחשבים קוואנטיים מתקדמים,

they will still be subject to the environmental constraints

הם עדיין נתונים במגבלות סביבתיות

needed to preserve quantum states.

שנדרשות כדי לשמור על המצב הקוואנטי.

But in spite of all these obstacles,

אבל למרות כל המכשולים האלה,

we’ve already succeeded at making computations

כבר הצלחנו ליצור חישובים

in a realm we can’t enter or even observe.

בממלכה שאליה איננו יכולים להכנס ואפילו לא יכולים לצפות בה.