הפריצות האחרונות בהנדסה קוונטית ומה הן אומרות על עתידנו

הנדסה קוונטית נכנסת לעידן זהב של תגליות. רק בשנה האחרונה, חוקרים ברחבי העולם דחפו את גבולות הזעיר-זעיר, והשיגו הישגים שבעבר נחשבו לעשרות שנים בעתיד. ממחשבי קוונטום שמבצעים חישובים מהר יותר ממחשבי-על קלאסיים, דרך רשתות קוונטיות שמעבירות נתונים באמצעות שזירה קוונטית, חיישני קוונטום שמזהים את האותות הזעירים ביותר, ועד חומרים קוונטיים שמגלים מצבי חומר אקזוטיים חדשים – ההתקדמויות האחרונות מקיפות את כל תחומי השדה החדשני הזה. להלן נסקור את תתי-התחומים המרכזיים בהנדסה קוונטית, נבליט פריצות דרך עיקריות מהשנה האחרונה, ונסביר במונחים פשוטים מה המשמעות של ההתפתחויות הללו עבור עתידנו.

מחשוב קוונטי: קרובים יותר למכונות קוונטיות שימושיות

מעבד הקוונטום הטופולוגי Majorana 1 שנחשף בתחילת 2025 הוא שבב בעל 8 קיוביטים המשתמש בחומר "מוליך-על טופולוגי" חדש עבור קיוביטים יציבים יותר. גישה פורצת דרך זו, בהובלת מיקרוסופט ופיזיקאים מאוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה, מבטיחה קיוביטים עמידים לשגיאות באופן מובנה universityofcalifornia.edu.

מחשוב קוונטי מנצל את התכונות המוזרות של ביטים קוונטיים (קיוביטים) – שיכולים להיות 0 ו-1 בו-זמנית – כדי לבצע חישובים שמעבר ליכולת של מחשבים רגילים. ב-2024 ו-2025, מחשוב קוונטי עשה כמה קפיצות גדולות לעבר שימושיות:

עוקף מחשבי-על קלאסיים: שבב הקוונטום החדש של גוגל “Willow” ביצע משימה חישובית בפחות מחמש דקות, משימה שלמחשב-על מהשורה הראשונה הייתה לוקחת כ-10 ספטיליון (10^25) שנים blog.google. הדגמה דרמטית זו של "יתרון קוונטי" מראה כיצד בעיות מסוימות (כמו סימולציה של מולקולות מורכבות או פתרון בעיות אופטימיזציה) הן מחוץ להישג ידם של מחשבים קלאסיים, אך ניתנות לפתרון עם מעבדים קוונטיים.
פריצת דרך בתיקון שגיאות: אולי אפילו חשוב יותר, שבב ה-70 קיוביט של גוגל Willow הראה שהוספת קיוביטים יכולה להפחית שגיאות באופן מעריכי – למעשה פיצוח מסע של 30 שנה בתיקון שגיאות קוונטי blog.google. "זה פותר אתגר מרכזי בתיקון שגיאות קוונטי שהתחום רדף אחריו כמעט 30 שנה," כתב מנהל Google Quantum AI הרטמוט נבן blog.google. על ידי פעולה מתחת לסף תיקון השגיאות, Willow סיפק את הראיה הברורה ביותר עד כה ש-מחשוב קוונטי בר-סקלה ועמיד בפני תקלות הוא בר השגה blog.google. מומחים היללו זאת כ-"האב-טיפוס המשכנע ביותר לקיוביט לוגי בר-סקלה שנבנה עד כה… סימן חזק לכך שניתן לבנות מחשבים קוונטיים שימושיים וענקיים" blog.google.
קיוביטים טופולוגיים הגיעו: בהתקדמות מדהימה נוספת, צוות של מיקרוסופט/אוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה יצר את הקיוביטים הטופולוגיים הראשונים אי פעם – קיוביטים אקזוטיים המאוחסנים במצב חומר חדש הנקרא סופרמוליך טופולוגי universityofcalifornia.edu. קיוביטים אלה (שהומשו בשבב אב-טיפוס של 8 קיוביטים בשם Majorana 1) מנצלים מצבי אפס של מאיורנה – קוואזי-חלקיקים מוזרים שהם האנטי-חלקיקים של עצמם – כדי לקודד מידע עם הגנה מובנית מרעש universityofcalifornia.edu. "יצרנו מצב חומר חדש, שנקרא סופרמוליך טופולוגי," הסביר ד"ר צ'טן ניאק, מנהל Microsoft Station Q, והוסיף שהתוצאות שלהם מראות "שאנחנו יכולים לעשות את זה, לעשות את זה מהר ולעשות את זה בדיוק" universityofcalifornia.edu. קיוביטים טופולוגיים הם יציבים מטבעם יותר, מה שעשוי לאפשר מחשבים קוונטיים שידרשו הרבה פחות קיוביטים לתיקון שגיאות. מיקרוסופט אף הכריזה על מפת דרכים ל-הגדלת הטכנולוגיה הזו למיליון קיוביטים על שבב אחד בשנים הקרובות azure.microsoft.com – יעד נועז שאם יושג, יהיה מהפכני.
הגדלת קנה מידה ותנופה תעשייתית: חברות מובילות ממשיכות להתחרות בהגדלת מספר הקיוביטים ובשיפור הביצועים. IBM מפעילה כיום כמה מהמעבדים הקוונטיים העל-מוליכים הגדולים בעולם (לאחרונה עברה את 400+ קיוביטים על שבב יחיד, עם שבב של 1,121 קיוביטים בדרך) ובוחנת מחשבי-על "קוונטיים-צנטריים" מודולריים שעשויים להגיע ל-100,000 קיוביטים בעשור הקרוב pme.uchicago.edu. חשוב לציין, שהתעשייה והאקדמיה משתפות פעולה כדי להפוך את המחשוב הקוונטי לשימושי: לדוגמה, חוקרים החלו לשלב אלגוריתמים קוונטיים עם בינה מלאכותית ומחשוב עתיר ביצועים כדי להתמודד עם בעיות בכימיה וחומרים thequantuminsider.com. כבר כיום, חברות מתחום התרופות, האנרגיה, הפיננסים והתעופה מתנסות במחשבים קוונטיים למשימות מהעולם האמיתי time.com. כפי ששני מנכ"לים מהתעשייה כתבו ב-Time מגזין, "עידן הקוונטום כבר החל", כאשר החומרה והתוכנה הקוונטית מתקדמות ב-"קצב מסחרר" ב-18 החודשים האחרונים time.com.

מה הלאה? עם פריצות הדרך הללו, המחשוב הקוונטי משיל בהדרגה את המוניטין שלו כחלום רחוק והופך לכלי עבור פתרון בעיות בעולם האמיתי. קיוביטים מתוקנים לשגיאות וקיוביטים טופולוגיים יציבים עשויים להגיע תוך כמה שנים, ולאפשר מכונות שיבצעו משימות שימושיות טוב יותר ממחשבי-על קלאסיים באופן אמין. ההשלכות עצומות: נוכל לעצב תרופות וחומרים חדשים על ידי סימולציה של כימיה ברמה הקוונטית, לאופטם לוגיסטיקה מורכבת ומודלים של בינה מלאכותית, ואפילו לפתור בעיות שבלתי אפשרי לפתור כיום. למרות שנותרו אתגרים (הגדלה לאלפי או מיליוני קיוביטים, שיפור איכות הקיוביטים והפחתת עלויות), ההתקדמות האחרונה מרמזת ש-מחשבים קוונטיים שימושיים עשויים להגיע הרבה יותר מוקדם משציפו רבים. כפי שדווח באחד הדיווחים, במקום "רגע נורה" אחד, המהפכה הקוונטית מגיעה דרך "פריצות דרך בביצועים, בעיות שנפתרו ויצירת ערך מתמשכת" – לעיתים מאחורי הקלעים, אך כבר מתרחשת time.com.

תקשורת קוונטית: בניית האינטרנט הקוונטי

תקשורת קוונטית עושה שימוש במצבים קוונטיים (כמו פוטונים שזורים) כדי לאפשר העברת מידע מיידית ובטוחה במיוחד. בניגוד לאותות רגילים, מידע קוונטי ניתן להעברה בדרכים שמצותתים אינם יכולים ליירט מבלי להתגלות, ובכך נוצרת התשתית לאינטרנט קוונטי בלתי ניתן לפריצה. בשנה האחרונה נרשמו התקדמויות מרשימות שמקרבות את החזון הזה למציאות:

טלפורטציה על גבי סיב אופטי קיים: בניסוי ראשון מסוגו בעולם, מהנדסים מאוניברסיטת נורת'ווסטרן ביצעו טלפורטציה של מידע קוונטי לאורך 30 ק"מ של כבל סיב אופטי שנשא בו-זמנית גם תעבורת אינטרנט רגילה news.northwestern.edu. הם הצליחו לבצע טלפורטציה קוונטית (העברת מצב של קיוביט ממקום אחד לאחר, באמצעות שזירה) על גבי סיב אופטי סטנדרטי תוך הימנעות קפדנית מהפרעות של זרמי המידע הקלאסיים. "זה מרגש מאוד כי אף אחד לא חשב שזה אפשרי," אמר פרופ' פרם קומאר, שהוביל את המחקר news.northwestern.edu. "העבודה שלנו מראה דרך לרשתות קוונטיות וקלאסיות מהדור הבא החולקות תשתית מאוחדת… בעצם, זה פותח את הדלת לדחוף את התקשורת הקוונטית לשלב הבא." news.northwestern.edu על ידי מציאת "חלון" באורך הגל וסינון רעשים, הצוות הוכיח שאותות קוונטיים יכולים לדור בכפיפה אחת עם תעבורת אינטרנט יומיומית באותו סיב news.northwestern.edu. המשמעות היא שאולי לא נצטרך כבלים קוונטיים ייעודיים; האינטרנט הקוונטי של העתיד יוכל להתבסס על רשתות הסיבים של היום, ובכך להוריד משמעותית את חסמי הפריסה news.northwestern.edu.
שזירה למרחקים ארוכים, ללא הפרעה: באפריל 2025, חוקרים מ-T-Labs של דויטשה טלקום ומ-Qunnect הדגימו הפצה מתמשכת של פוטונים שזורים לאורך 30 ק"מ של סיב אופטי מסחרי עם נאמנות של 99%, ברציפות במשך 17 ימים telekom.com. יציבות וזמן פעולה כאלה הם חסרי תקדים. זה מראה שניתן לשמור על קישורים שזורים – עמוד השדרה של רשתות קוונטיות – באופן אמין בתנאי עולם אמיתי. נאמנות שזירה גבוהה ועקבית למרחקים ארוכים היא שלב קריטי בדרך למגברי קוונטום ורשתות בקנה מידה גדול. העובדה שזה הושג על גבי סיב סטנדרטי המותקן בברלין מטרופולינית מדגישה ש-טכנולוגיית רשתות קוונטיות יוצאת מהמעבדה אל היישום המעשי telekom.com.
הרחבת רשתות קוונטיות: ברחבי העולם, מתקני ניסוי לתקשורת קוונטית מתרחבים במהירות. פרויקטים לאומיים מחברים ערים באמצעות קווי סיב מוצפנים קוונטית ולוויינים. לדוגמה, בסין פועלת קישור קוונטי באורך 2,000 ק"מ בין בייג'ינג לשנגחאי באמצעות לווייני QKD (הפצת מפתחות קוונטית) וסיבים, ושיתופי פעולה אירופיים מחברים בין מדינות שונות ל"עמוד שדרה קוונטי" מתהווה. בארה"ב, מעבדות לאומיות ואוניברסיטאות הקימו מתקני ניסוי לרשתות קוונטיות מטרופוליניות (כמו רשת ה-124 מייל של Chicago Quantum Exchange) כדי להתנסות בהחלפת שזירה ומגברי קוונטום. כל המאמצים הללו מובילים למטרה הסופית: אינטרנט קוונטי עולמי שיאפשר תקשורת מאובטחת לחלוטין ומחשוב קוונטי מבוזר. פריצות דרך אחרונות ב-זיכרון קוונטי וצמתים מגבירי שזירה (התקנים המאחסנים ומאריכים שזירה) משפרות את המרחק והאמינות של קישורים קוונטיים news.northwestern.edu, בעוד לוויינים קוונטיים קטנים הראו יכולת לשדר פוטונים שזורים בין יבשות.

מה הלאה? בעתיד הקרוב, צפו ש-תקשורת מאובטחת קוונטית תתחיל להגן על נתונים רגישים. בנקים, ממשלות וספקי שירותי בריאות כבר בודקים QKD להצפנה חסינת פריצות של קישורים קריטיים. ככל שרשתות קוונטיות יגדלו, נראה את הופעתם של ענני קוונטום – רשתות מאובטחות בהן ניתן לגשת למחשבים קוונטיים מרחוק, כאשר השזירה מבטיחה פרטיות. בסופו של דבר, אינטרנט קוונטי מלא יוכל לחבר התקנים קוונטיים ברחבי העולם, לאפשר הישגים כמו מחשוב קוונטי עיוור (ביצוע חישובים על שרת קוונטי מרוחק עם פרטיות מובטחת) ולסנכרן שעונים אטומיים ברחבי העולם בדיוק חסר תקדים. השורה התחתונה: תקשורת קוונטית מבטיחה אינטרנט חסין לציתות, שישמור על תשתית הדיגיטל העתידית שלנו גם מול מחשבים קוונטיים שיוכלו לשבור את ההצפנה של היום.

חישה קוונטית: דיוק חסר תקדים וגבולות חדשים

חישה קוונטית מיישמת תופעות קוונטיות למדידת גדלים פיזיקליים ברגישות ובדיוק קיצוניים, הרבה מעבר לחיישנים קונבנציונליים. על ידי ניצול אפקטים כמו סופרפוזיציה ושזירה, חיישנים קוונטיים יכולים לזהות שינויים זעירים בשדות, בכוחות ובזמן. התקדמויות אחרונות מספקות יכולות חישה שנשמעות כמעט כמו מדע בדיוני:

הדמיית אטומים ושדות בקנה מידה אטומי: באמצע 2024, צוות בינלאומי בראשות Forschungszentrum Jülich בגרמניה חשף את החיישן הקוונטי הראשון בעולם ל"עולם האטומי" – חיישן המסוגל לזהות שדות חשמליים ומגנטיים עם רזולוציה מרחבית של עשירית אנגסטרום (10^−10 מטר), בערך בגודל של אטום בודד fz-juelich.de. הם השיגו זאת על ידי חיבור מולקולה בודדת לקצה של מיקרוסקופ סורק, תוך שימוש בספין הקוונטי של המולקולה לחישת שדות בטווח קרוב במיוחד fz-juelich.de. "החיישן הקוונטי הזה הוא משנה משחק, כי הוא מספק תמונות של חומרים עשירות כמו MRI ובו זמנית קובע סטנדרט חדש לרזולוציה מרחבית," אמר ד"ר טאנר אסאט, המחבר הראשי fz-juelich.de. במילים אחרות, הם יכולים להמחיש נופים אלקטרומגנטיים בתוך חומרים אטום-אחר-אטום – יכולת שתהפוך את ההבנה שלנו של חומרים, קטליזה וננו-אלקטרוניקה. הכלי הזה יכול לבדוק פגמים בשבבים קוונטיים, למפות אטומים במוליך למחצה, או אפילו לבדוק ביומולקולות – והכול בפירוט חסר תקדים.
חישה קוונטית מקבילה ומדידות טובות יותר: בסוף 2024, מדענים במעבדות הלאומיות אוק רידג' (ORNL) דיווחו על פלטפורמת חישה משופרת קוונטית חדשה המשתמשת באור דחוס כדי לשפר את הרגישות במספר חיישנים בו-זמנית ornl.gov. על ידי שליחת פוטונים מקושרים במיוחד (קרני תאומות של אור עם תכונות רעש מקושרות קוונטית) למערך של ארבעה חיישנים, הם השיגו שיפור רגישות סימולטני של כ-23% בכל החיישנים לעומת הגבולות הקלאסיים ornl.gov. זו אחת ההדגמות הראשונות של חישה קוונטית מקבילה, שבה נבדקות מספר נקודות בו-זמנית עם יתרון קוונטי. "בדרך כלל, אתה משתמש בקורלציות [קוונטיות] כדי לשפר מדידה… מה שאנחנו עשינו היה לשלב קורלציות בזמן ובמרחב כדי לבדוק כמה חיישנים בו-זמנית ולקבל שיפור קוונטי סימולטני עבור כולם," הסביר אלברטו מרינו מ-ORNL ornl.gov. גישה זו עשויה להיות קריטית ליישומים כמו גילוי חומר אפל, שבהם יש לדחוף מערכים גדולים של חיישנים מעבר לרגישות הקלאסית ornl.gov. היא עשויה גם לאפשר דימות קוונטי מהיר יותר ואבחון רפואי על ידי לכידת מספר נקודות נתונים בבת אחת.
חיישנים קוונטיים בחיי היומיום: טכנולוגיות חישה קוונטית גם מתבגרות לשימוש בעולם האמיתי. לדוגמה, מגנטומטרים קוונטיים המבוססים על מרכזי חנקן-ואקנסי (NV) ביהלום יכולים כיום לזהות את האותות המגנטיים החלשים של פעילות עצבית במוח או את נוכחותם של מינרלים נדירים מתחת לאדמה, משימות שבעבר היו בלתי אפשריות ללא מכונות ענק. חיישני אינטרפרומטריה של אטומים קרים במיוחד נבדקים בשטח עבור מערכות ניווט שאינן תלויות ב-GPS, ומודדים שינויים זעירים באינרציה ובכבידה כדי לעקוב אחר תנועה בדיוק קיצוני. וההתקדמות בשעונים אטומיים ממשיכה לשבור שיאים: שעוני הסריג האופטי הטובים ביותר כיום מדויקים עד כדי כך שהם יכולים למדוד את האטת הזמן הכבידתית של איינשטיין על הבדל גובה של מילימטר בלבד, ולזהות כיצד הזמן קצת איטי יותר קרוב לבאר הכבידה של כדור הארץ physicsworld.com. דיוק מדהים זה הופך למעשה את השעונים לחיישני כבידה, ויכול להוביל לטכניקות גיאודזיה חדשות (מיפוי שינויים בצפיפות כדור הארץ באמצעות האטת זמן).

מה הלאה?

חיישנים קוונטיים עומדים לשנות תעשיות רבות. בתחום הבריאות, מגנטומטרים מסוג SQUID וחיישנים מבוססי יהלום עשויים לאפשר סריקות MRI ברזולוציה גבוהה במיוחד או ממשקי מוח-מכונה על ידי חישה של שדות ביומגנטיים זעירים. בניווט וגיאולוגיה, גרבימטרים קוונטיים ומדי תאוצה קוונטיים יכולים לספק ניווט עצמאי מ-GPS לכלי טיס ולחקר תת-קרקעי על ידי חישה של אנומליות כבידה או שינויים אינרציאליים. ההגנה הלאומית תשתמש בחיישנים קוונטיים לזיהוי עצמים חמקניים או מתקנים תת-קרקעיים (על ידי זיהוי שינויים עדינים בכבידה או בשדות מגנטיים). אפילו החיפוש אחר חומר אפל וגלי כבידה מרוויח – הרגישות הגבוהה של מכשירים קוונטיים פותחת חלונות חדשים לפיזיקה בסיסית. ככל שהחיישנים הללו יהפכו קומפקטיים ועמידים יותר, נצפה לעידן חדש של מכשירים שמודדים את העולם (ואת היקום) בדיוק חסר תקדים, ומספקים לנו משוב ויכולות שלא היו נגישות קודם לכן.

חומרים קוונטיים: גילוי אבני הבניין של עידן הקוונטום

בבסיס כל ההתקדמויות הללו נמצאים חומרים קוונטיים – חומרים עם תכונות קוונטיות יוצאות דופן שמאפשרות טכנולוגיות חדשות. חומרים קוונטיים כוללים מוליכים-על (שמעבירים חשמל ללא התנגדות), מבודדים טופולוגיים (שמעבירים חשמל בשוליים אך לא בפנים), מגנטים קוונטיים ופאזות אקזוטיות נוספות של חומר. בשנה האחרונה, מדענים גילו תגליות מרגשות במדע החומרים הקוונטיים, שמקרבות אותנו לפריצות דרך כמו מוליכי-על מעשיים וקיוביטים עמידים בפני שגיאות:

מוליכי-על טופולוגיים – מצב חומר חדש: אחד ההישגים הבולטים היה יצירת מוליך-על טופולוגי במעבד הקוונטי של Microsoft/UCSB שהוזכר קודם. על ידי הנדסת חומר היברידי של מוליך למחצה (ארסניד אינדיום) ומוליך-על (אלומיניום) וקירורו כמעט לאפס המוחלט תחת שדות מגנטיים מסוימים, החוקרים יצרו פאזה חדשה של חומר שמארחת מצבי אפס של מאג'ורנה בקצותיה azure.microsoft.com. מצבי מאג'ורנה אלו הם אבן היסוד של קיוביטים טופולוגיים, שכן הם מאחסנים מידע קוונטי באופן לא-לוקאלי (המידע "מפוזר" בחומר ולכן מוגן). "כמעט מאה שנה, הקוואזי-חלקיקים הללו התקיימו רק בספרי לימוד. כעת, אנו יכולים ליצור ולשלוט בהם לפי דרישה," ציין צוות מיקרוסופט azure.microsoft.com. המימוש המוצלח של פאזה מוליכת-על טופולוגית הוא לא רק פריצת דרך במחשוב אלא גם הישג שיא במדע החומרים – אישוש במעבדה של מצב חומר שחזה התיאוריה זמן רב. מוליכי-על טופולוגיים מרגשים כי הם עשויים לאפשר התקנים אלקטרוניים ללא איבוד אנרגיה וקיוביטים קוונטיים עמידים במיוחד. התוצאה של השנה היא הוכחת היתכנות לכך שאפשר ליצור ולשלוט בחומרים כאלה, ובכך לסלול את הדרך לאלקטרוניקה קוונטית מהדור הבא.
פאזות קוונטיות חדשות ו"מוליכי-על לא קונבנציונליים": חוקרים גם מגלים חומרים קוונטיים טבעיים עם תכונות יוצאות דופן. בדוגמה אחת, צוות מאוניברסיטת קורנל מצא עדויות ל"גל צפיפות זוגות" בתרכובת בשם אורניום דיטלוריד (UTe₂) – למעשה תבנית גבישית של זוגות אלקטרונים במוליך-על physics.cornell.edu. המצב החדש הזה הוא צורה של חומר קוונטי טופולוגי שבו זוגות קופר (זוגות האלקטרונים שאחראים למוליכות העל) מסתדרים בתבנית של גל עומד במקום בעיבוי אחיד כרגיל physics.cornell.edu. "מה שזיהינו הוא מצב חומר קוונטי חדש – גל צפיפות זוגות טופולוגי שמורכב מזוגות קופר בספין טריפלט," אמר ד"ר צ'יאנגצ'יאנג גו, וציין שזו הפעם הראשונה שמצב כזה נצפה physics.cornell.edu. מוליכי-על בספין טריפלט (סימטריה אי-זוגית) כמו UTe₂ נחשבים לגביע הקדוש כי הם עשויים לתמוך באופן טבעי במצבי מאיורנה למחשוב קוונטי physics.cornell.edu. פריצת דרך זו מרמזת שהטבע עשוי לארח פאזות קוונטיות שמעולם לא ראינו, עם תכונות שמוכנות לניצול בטכנולוגיות עתידיות. בינתיים, מדעני חומרים מתקדמים בסינתזה של חומרים דו-ממדיים חדשים (כמו חומר דו-ממדי כבד-פרמיונים CeSiI שזה עתה התגלה ומפגין התנהגות אלקטרונים מוזרה azonano.com purdue.edu) ומשלבים חומרים בדרכים חכמות – למשל, ערימת יריעות גרפן בזווית "קסם" כדי לגרום למוליכות-על, או חיבור מגנטים ומוליכי-על ליצירת אפקטים חדשים. כל חומר קוונטי חדש שמתגלה או נוצר מרחיב את ארגז הכלים שיעמוד לרשות מהנדסים לבניית התקנים קוונטיים.
חומרים לקיוביטים ומכשירים: חלק גדול מההנדסה הקוונטית תלוי במציאת חומרים שיכולים לארח קיוביטים עם שיעורי שגיאה נמוכים. בשנה האחרונה נרשם התקדמות במספר חזיתות. חוקרים הראו שפגמים ב-מוליכים למחצה בעלי פער אנרגיה רחב (כמו חוסרים ביהלום או תוספים בקרביד סיליקון) יכולים לשמש כקיוביטים יציבים שפועלים אפילו בטמפרטורת החדר, מה שיכול להיות מצוין עבור חיישנים קוונטיים ומעבדים קוונטיים פשוטים. מאמץ נוסף הדגים יצירת קיוביטים מהיסוד הנדיר ארביום המשובץ במארחים גבישיים שונים, והדגיש כיצד בחירת החומר משפיעה על תכונות קוונטיות pme.uchicago.edu. על ידי חקירת חומרים מארחים חדשים למערכות קיוביטים מוכרות (ספינים של ארביום, נקודות קוונטיות מסיליקון וכו'), מדענים ממטבים את זמני הקוהרנטיות והקישוריות. אבן דרך מרכזית הגיעה מהגישה הממוקדת בחומרים של מעבדת ארגונן: הם בנו קיוביט חדשני והשיגו זמן קוהרנטיות של 0.1 אלפיות שנייה – כמעט פי 1000 מהשיא הקודם עבור סוג זה pme.uchicago.edu. הדבר הושג באמצעות חידושים בחומרים שהפחיתו רעש ובידוד עבור הקיוביט. קוהרנטיות ארוכה יותר פירושה שניתן לבצע יותר פעולות על קיוביט לפני שאובדת המידע, כך ששיפורים אלה מתורגמים ישירות ל-מחשבים קוונטיים חזקים ואמינים יותר. בפשטות, חומרים טובים יותר = קיוביטים טובים יותר.

מה הלאה? החיפוש אחר חומרים מהפכניים ימשיך להניע את הנדסת הקוונטים קדימה. מטרה מרכזית היא מוליך-על בטמפרטורת החדר – חומר שמוליך-על ללא קירור קיצוני. גילוי כזה יהיה משנה משחק (יאפשר רשתות חשמל ללא הפסדים, מכשירי MRI זולים, תחבורה מגנטית מרחפת, ומכשירים קוונטיים הפועלים בתנאים רגילים). בשנת 2023, העולם קיבל הצצה לטירוף שפריצת דרך כזו עלולה לגרום כאשר חומר שכונה "LK-99" נטען כמוליך-על בטמפרטורת החדר – זה יצר התלהבות ויראלית אך הופרך במהרה בבדיקות קפדניות lens.monash.edu, תזכורת לכך שטענות יוצאות דופן דורשות ראיות יוצאות דופן. למרות שמוליך-על אמיתי בטמפרטורת החדר עדיין חומק מהמדע, מתבצע קידום הדרגתי: הטמפרטורות הקריטיות של מוליכי-העל הידועים ממשיכות לעלות, וחומרים חדשים (לעיתים בלחץ גבוה) הראו מוליכות-על קרובה יותר לתנאים רגילים. מעבר למוליכי-על, מדענים מחפשים באופן פעיל חומרים שיכולים לארח קיוביטים עמידים יותר (למשל, חומרים עם ספין גרעיני נמוך לזמן קוהרנטיות ארוך יותר, או חומרים טופולוגיים לקיוביטים עמידים לשגיאות), וכן חומרים שיכולים לפלוט פוטונים בודדים או פוטונים שזורים לפי דרישה לתקשורת. מחקר חומרים קוונטיים הוא אבן יסוד של כל התחום – כל גילוי חדש יכול להשפיע על מכשירים קוונטיים טובים יותר ויישומים חדשים. בשנים הקרובות, צפו לגילוי מופעים מפתיעים של חומר ולחומרים "מעוצבים" נוספים (כמו ה"טופוקונדקטור" של מיקרוסופט azure.microsoft.com או מבנים מהונדסים אחרים) שיפתחו יכולות שעדיין לא דמיינו.

סיכום: עתיד מהונדס-קוונטית

ממחשבים רבי-עוצמה ועד תקשורת בלתי ניתנת לפריצה, חיישנים מדויקים במיוחד ומצבי חומר חדשים, הפריצות בהנדסת קוונטים הן לא רק מרגשות אינטלקטואלית – הן מבשרות על שינויים מהפכניים לחברה בעתיד הלא רחוק. חשוב לציין, תתי-התחומים הללו לא מתקדמים בבידוד: התקדמות באחד לעיתים מזרזת התקדמות באחרים. לדוגמה, חומרים קוונטיים טובים יותר מאפשרים קיוביטים יציבים יותר; מחשבים קוונטיים משופרים מסייעים בתכנון חומרים חדשים; רשתות קוונטיות יחברו בין מחשבים קוונטיים, ויגדילו את עוצמתם; וחיישנים קוונטיים יסייעו באפיון חומרים ומכשירים בקנה מידה אטומי. אנו עדים לשלבים הראשונים של מעגל חדשנות חיובי.

עבור הציבור הרחב, ההשלכות של ההתקדמויות המופשטות הללו יהפכו למוחשיות בדרכים שונות:

בריאות וכימיה: מחשבים קוונטיים יוכלו לדמות תרופות וחלבונים בדיוק אטומי, מה שיוביל לתרופות ולחומרים שיפותחו במחשב במקום בשיטת ניסוי וטעייה. חיישנים קוונטיים עשויים לאפשר גילוי מוקדם של מחלות באמצעות אותות ביולוגיים זעירים או דימות מוח מתקדם.
סייבר ואבטחת מידע: תקשורת קוונטית צפויה לאבטח את העסקאות הפיננסיות והנתונים הסודיים שלנו באמצעות הצפנה קוונטית שאותה האקרים (גם עם מחשבים קוונטיים) לא יוכלו לפרוץ. ייתכן שננהל תקשורת עסקית או דיפלומטית רגישה עם סודיות מוחלטת שמובטחת על ידי חוקי הפיזיקה.
מחשוב ובינה מלאכותית: כאשר מעבדים קוונטיים יתחילו לטפל בבעיות אופטימיזציה ולמידת מכונה, נראה שיפורים בכל תחום – מלוגיסטיקת שרשרת אספקה ועד חיזוי אקלים ויכולות בינה מלאכותית. משימות שאיתן הבינה המלאכותית של היום מתקשה עשויות להיפתר בעזרת אלגוריתמים היברידיים קוונטיים-קלאסיים שירוצו על פלטפורמות ענן מואצות קוונטית בעתיד.
חישה וניווט: ייתכן שבעתיד יהיו בטלפונים וברכבים שלנו ג'ירוסקופים ומד תאוצה קוונטיים, שיאפשרו ניווט מדויק במיוחד גם כאשר GPS אינו זמין. חיישני כבידה קוונטיים יוכלו לסרוק מתחת לפני הקרקע לאיתור מחצבים או לנטר הרי געש ושברים גיאולוגיים על ידי חישת שינויים בצפיפות. ייתכן שאפילו יהיו לנו אביזרים לבישים שישתמשו בחיישנים קוונטיים לניטור בריאות לא פולשני.
אנרגיה ותעשייה: חומרים קוונטיים כמו מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה עשויים לחולל מהפכה ברשת החשמל והתחבורה עם קווי חשמל ללא הפסדים, ריחוף מגנטי יעיל וסוללות טובות יותר (מחשוב קוונטי כבר משמש לחיפוש כימיה משופרת לסוללות time.com). תהליכים תעשייתיים יוכלו להרוויח מעיצובים וזרזים מיטביים קוונטית.

בקיצור, הנדסה קוונטית נמצאת בעמדה להפוך ליסוד של טכנולוגיית המאה ה-21, כפי שהאלקטרוניקה הקלאסית עשתה במאה ה-20. ככל שהפריצות דרך הללו ממשיכות בקצב מהיר, הן מקרבות אותנו לעתיד שבו מכשירים קוונטיים פותרים בעיות חשובות, מגנים על הנתונים שלנו וחושפים אמיתות עמוקות יותר על היקום. זהו זמן מרגש בחזית המדע – עתיד קוונטי כבר אינו ספקולציה, הוא נבנה ממש עכשיו, פריצת דרך אחר פריצת דרך.

מקורות:

Google Quantum AI – Hartmut Neven, “Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip,” Google Blog (דצמבר 2024) blog.google.
University of California, Santa Barbara – Sonia Fernandez, “‘We have created a new state of matter’: New topological quantum processor marks breakthrough in computing,” (20 בפברואר 2025) universityofcalifornia.edu.
אוניברסיטת נורת'ווסטרן – אמנדה מוריס, “הדגמה ראשונה של טלפורטציה קוונטית דרך כבלי אינטרנט עמוסים,” (20 בדצמבר 2024) news.northwestern.edu.
Deutsche Telekom T-Labs – ורנה פולדה, “פריצת דרך לאינטרנט הקוונטי – מהמעבדה לעולם האמיתי,” (15 באפריל 2025) telekom.com.
Forschungszentrum Jülich – הודעה לעיתונות, “חיישן קוונטי לעולם האטומי,” (1 באוגוסט 2024) fz-juelich.de.
Oak Ridge National Lab – מארק אלווין, “חוקרים חושפים יתרון קוונטי שעשוי לקדם מכשירי חישה עתידיים,” ORNL News (16 באוקטובר 2024) ornl.gov.
אוניברסיטת קורנל – “פריצת דרך מזהה מצב חדש של חומר קוונטי טופולוגי,” Cornell Chronicle (10 ביולי 2023) physics.cornell.edu.
אוניברסיטת שיקגו PME – “יום הקוונטים העולמי 2024: ההתפתחויות האחרונות במדע וטכנולוגיה קוונטית,” (12 באפריל 2024) pme.uchicago.edu.
מגזין Time – וימל קפור & ראג'יב חזרא, “עידן הקוונטים כבר התחיל,” (ספטמבר 2024) time.com.
Nature/ACS Publications – ראיות המפריכות את טענת LK-99 למוליכות-על בטמפרטורת החדר (2023) lens.monash.edu.