המדע הקוונטי מאחורי המחשב הקוונטי

רקע מדעי

תורת הקוונטים שפותחה בראשית המאה ה-20 היא תורה פורצת דרך בעלת יישומים רבים בכל תחומי המדע ובחיי היום-יום. תורת הקוונטים פותחה כדי להסביר תופעות פיזיקליות שלא ניתן היה להסבירן באמצעות הפיזיקה הקלאסית. היא נתנה הסברים מדויקים לתכונות ולמאפיינים של מערכות אטומיות ומולקולריות (להלן: חלקיקים קוונטיים) ושל התקנים המבוססים על מערכות אלו. חלק מהתופעות הייחודיות למערכות קוונטיות הן תופעות הסתברותיות, מוזרות, לא הגיוניות ואף מנוגדות לאינטואיציה היום-יומית שלנו.

כך למשל, ניסוי שני הסדקים של יאנג מצביע על כך שחלקיקים המוקרנים על מערכת שבה שני סדקים מראים התנהגות אופיינית לגלים או לחלקיקים, תלוי בסוג הניסוי, כאשר עצם המדידה משפיעה על התוצאה. למעשה נקבע מאוחר יותר, בעקבות השערת דה ברוילי, כי לכל עצם בטבע יש אורך גל. כל חומר בטבע מראה התנהגות דואלית של חלקיק ושל גל, ובהמשך הוכח בניסויים כי לחלקיקים קוונטיים יש אורך גל שניתן למדידה.

דוגמה נוספת – ההסבר שנתן הפיזיקאי מקס פלאנק לקרינת גוף שחור נחשב להולדתה של תורת הקוונטים. במסגרת המאמץ העיוני להסביר את הקשר בין פליטת קרינה אלקטרו-מגנטית באנרגיות שונות לבין טמפרטורת הגוף הפולט (כאשר בכל טמפרטורה יש שיא בעוצמת הפליטה באנרגיה מסוימת) מצא פלאנק כי התאמת התאוריה לניסוי אפשרית אך ורק בהנחה שהקרינה נפלטת במנות (קוונטות) של אור. דוגמה נוספת למוזרות של תורת הקוונטים היא עקרון אי-הוודאות של הייזנברג, הקובע כי אי אפשר לדעת את מצבו המדויק של חלקיק קוונטי בוודאות (מקומו ומהירותו למשל), והסיבה לכך היא כי המדידה עצמה גורמת לשינוי במצבו של החלקיק הקוונטי. 

לסיכום, ההסבר לתופעות הניסיוניות שנסקרו לעיל מצביע על כך שלחלקיקים קוונטיים יש מספר תכונות אופייניות, לא אינטואיטיביות ומוזרות, המאפשרות מימוש יישומים מעבר לשימושים המקובלים. תכונות אלו הן:

סופרפוזיציה של מצבים: מערכת קוונטית יכולה להימצא לפני ביצוע מדידה בו-זמנית במספר רב של מצבים. דוגמה למצבים קוונטיים היא אטום הנמצא בו-זמנית במספר רמות אנרגיה, אלקטרון בעל ספין (סיבוב עצמי) עם כיוון השעון או נגדו, או פוטון הנמצא במספר מצבי קיטוב, כאשר לכל מצב יש משקל סטטיסטי משלו. במילים אחרות, חלקיק קוונטי יכול להימצא במספר מצבים, כאשר מצבו הכולל של החלקיק הקוונטי – בין שהוא אלקטרון, פוטון או אטום – הוא צירוף (סופרפוזיציה) של מצבים. מקובל לייצג את התכונות הפיזיקליות של המערכת הקוונטית כתופעה גלית והסתברותית (בעגה המקצועית: ייצוג על ידי פונקציית גל). יחידת המידע הקוונטית הבסיסית שמכילה את כל המידע על המערכת וכוללת מספר מצבים נקראת ביט קוונטי, או בקיצור קיוביט.

קריסת המצבים בעת מדידה: ביצוע מדידה על מערכת קוונטית, כלומר חשיפת המערכת הקוונטית לעולם הקלאסי, מביאה לקריסת כל מצבי המערכת למצב אחד בלבד. תופעה זו של אובדן הקוהרנטיות של המצבים הקוונטיים (quantum decoherence) פירושה אובדן המידע הקוונטי. המשמעות הפיזיקלית של עובדה זו היא שמערכת קוונטית חייבת להיות מבודדת מהסביבה החיצונית, ועצם ביצוע המדידה או חשיפה לסביבה משפיעים על התוצאה. תופעת הקריסה של המצבים הוגדרה על ידי ג'ון פון נוימן בספרו על היסודות המתמטיים של תורת הקוונטים כשרשרת פעולות הכוללת את המערכת הקוונטית, מערכת המדידה ומערכת שמתרגמת את תוצאת המדידה לערך יחיד, מדיד ומוחשי ונגיש לעיניו או למוחו של המתבונן. התופעה של קריסת המצבים ואובדן המידע הקוונטי היא בעצם היבט אחר של עקרון אי-הוודאות של הייזנברג, הקובע כי עצם ביצוע המדידה גורם לשינוי במצבו של החלקיק הקוונטי, ויותר מכך: שני העקרונות הללו מדגימים את המגבלות הפיזיקליות של יכולת המדידה וכמות המידע בעולם המיקרוסקופי. 

מצבים אנרגטיים בדידים: חלקיקים המצייתים לעקרונות תורת הקוונטים הם בעלי רמות אנרגיה בדידות, והם עוברים ממצב אנרגטי אחד לאחר באופן לא רציף אלא בקפיצות, תוך חילופי אנרגיה עם הסביבה. חלקיק קלאסי כמו כדור למשל, עובר באופן רציף ממצב 2 למצב 0 ללא מצבי ביניים, אך אילו היו לכדור הקלאסי תכונות קוונטיות הוא היה נעצר באוויר מספר פעמים תוך שחרור אנרגיה, למשל במצב 1, לפני הגיעו אל הקרקע. בניגוד לכך, חלקיק קוונטי כמו אלקטרון יעבור ממצב אנרגטי 2 למצב אנרגטי 0 דרך מצב ביניים – מצב 1 – כמודגם באיור להלן.

סולם אנרגיה אנהרמוני: חשוב לציין כי סולם האנרגיה של חלקיק קוונטי יכול להיות בעל מרווחי אנרגיה שווים – סולם הרמוני, או מרווחים בלתי שווים – סולם אנהרמוני. לעובדה זו חשיבות רבה בהבנת דרך הפעולה של מחשב קוונטי, שכן סולם אנרגיה אנהרמוני מאפשר הבחנה ברורה מאוד בין מצבי 0 ו-1 לעומת רמות אנרגיה גבוהות יותר, דבר שחיוני לפעולתו של מחשב קוונטי.