לאחרונה הצטרפה Infineon Technologies לשלושה קווי פיילוט אירופיים לפיתוח שבבי קוונטום – יוזמות שמכוונות לאתגר שעדיין מעכב את התחום: ייצור. המעבר ממערכות קוונטיות ניסיוניות לייצור שבבים בקנה מידה תעשייתי הופך לנקודת המפתח, ומסיט את מרכז הכובד מהפיזיקה להנדסה, תהליכי ייצור ואמינות.
תחום המחשוב הקוונטי כבר אינו בשלב שבו עצם יצירת הקיוביט היא השאלה המרכזית. מערכות ניסיוניות מציגות עשרות ואף מאות קיוביטים, אך הדרך ליישומים מעשיים מחייבת מעבר לסקייל גבוה בהרבה – סדרי גודל של מאות אלפים ואף מיליוני קיוביטים, בעיקר לצורך יישום מנגנוני תיקון שגיאות. מדובר בקפיצה של כמה סדרי גודל, שלא ניתן להשיג ללא תשתית ייצור תעשייתית.
מפיזיקה לייצור: האתגר האמיתי
הפער בין ניסוי מעבדה למוצר תעשייתי אינו רק כמותי אלא גם איכותי. במעבדה ניתן לבודד משתנים, לשלוט בסביבה ולהדגים התנהגות פיזיקלית. בעולם האמיתי, כל רכיב צריך לפעול באופן עקבי, לאורך זמן ובתנאים משתנים, תוך עמידה בדרישות של יציבות, אמינות וחיזוי.
במערכות קוונטיות, האתגר מורכב אף יותר. קיוביטים רגישים לרעש, תנודות וטמפרטורה, וכל הפרעה קטנה יכולה לגרום לאובדן מידע. המשמעות היא שהשאלה אינה רק האם הקיוביט עובד, אלא עד כמה ניתן לשחזר את ביצועיו לאורך זמן ובתנאים שונים.
בניגוד לשבבים קלאסיים, שבהם ניתן לעיתים לעקוף רכיבים פגומים, במערכות קוונטיות הקישוריות בין קיוביטים הדוקה במיוחד. תופעות כמו שזירה יוצרות תלות עמוקה בין רכיבים, כך שפגם בודד עלול להשפיע על המערכת כולה.
כאן נכנס מושג ה־yield. בתעשיית השבבים הקלאסית, מדובר במספר השבבים התקינים לכל פרוסה. בקוונטום, המשמעות שונה: לא מספיק שהשבב יהיה שלם פיזית, אלא נדרש שכל קיוביט יפעל בדיוק גבוה, ושכלל המערכת תשמור על יציבות. מדובר למעשה ב־yield של fidelity בתוך השבב עצמו. גם כאשר כל הרכיבים “תקינים”, המערכת עלולה להיכשל אם רמת הדיוק אינה מספקת.
קווי הפיילוט: בדיקה בתנאי אמת
קווי הפיילוט האירופיים SUPREME, CHAMP-ION ו- SPINS אינם מתמקדים רק בפיתוח טכנולוגי, אלא בבחינת היכולת לייצר את הטכנולוגיה בפועל. זהו מעבר מהדגמות חד־פעמיות לתהליכים חוזרים.
העבודה בקווים אלו מתבצעת על פרוסות סיליקון, בתנאים המדמים ייצור תעשייתי. כאן מתגלות בעיות שלא מופיעות במעבדה: שונות בין פרוסות, סטיות בתהליך, והשפעות סביבתיות. אלו גורמים שמכריעים את היכולת להפוך טכנולוגיה למוצר.
במסגרת זו, גופים כמו imec אינם בודקים רק אם הקיוביט פועל, אלא האם ניתן לייצר אותו על פרוסות בקוטר 300 מ"מ – הסטנדרט של מפעלי השבבים המתקדמים בעולם. זהו מבחן ישיר לשאלה האם טכנולוגיה קוונטית יכולה להשתלב בתשתיות ייצור קיימות.
בנוסף, קווי הפיילוט מאפשרים עבודה בסביבה רב־תחומית. פיזיקאים, מהנדסי תהליך, מהנדסי בדיקות ואנשי מערכת פועלים יחד, מה שמאפשר זיהוי מוקדם של בעיות אינטגרציה ושל צווארי בקבוק הנדסיים.
שלוש טכנולוגיות, שלושה כיוונים תעשייתיים
התחום הקוונטי עדיין רחוק מהכרעה טכנולוגית. בניגוד לעולם המעבדים הקלאסיים, שבו CMOS הפך לסטנדרט, כאן מתקיימות מספר גישות במקביל – וכל אחת מהן מייצגת תפיסה שונה של הדרך לייצור.
גישת ה־ion trap מבוססת על לכידת יונים ושליטה בהם באמצעות שדות אלקטרומגנטיים ולייזרים. מדובר באחת הגישות המדויקות ביותר, עם fidelity גבוה וזמני קוהרנטיות ארוכים. עם זאת, המורכבות ההנדסית משמעותית, שכן המערכת משלבת רכיבים אופטיים, אלקטרוניים ומכניים. המעבר לייצור סדרתי מחייב אינטגרציה עמוקה של תחומים שונים, ואתגרי האריזה והבקרה הופכים למרכזיים.
טכנולוגיות מוליכי על מציעות בשלות גבוהה יותר מבחינת יישום. הן מאפשרות ביצועים מהירים יחסית, וקיימת סביבן תשתית פיתוח רחבה. עם זאת, הן דורשות קירור לטמפרטורות נמוכות מאוד, מה שמוסיף מורכבות תשתיתית ועלויות. המשמעות היא שהאתגר אינו רק בייצור השבב, אלא גם בהפעלתו בקנה מידה.
הגישה השלישית, המבוססת על ספין בסיליקון, מנסה לנצל את תשתיות ה-CMOS הקיימות. אם גישה זו תצליח, היא עשויה לאפשר מעבר מהיר יחסית לייצור תעשייתי. במסגרת פרויקט SPINS, בהובלת imec, נבחנת התאמה של קיוביטים לתהליכי ייצור סטנדרטיים. האתגר כאן הוא פיזיקלי, אך הפוטנציאל התעשייתי גבוה במיוחד.
העובדה שכל הגישות נבחנות במקביל מדגישה כי בשלב זה אין מנצח ברור. ייתכן מאוד שהטכנולוגיה שתצליח להגיע ראשונה לייצור יציב, עם yield גבוה ועלות סבירה, היא זו שתכתיב את הסטנדרט.
תמונה: שבבי קוונטום: Infineon משתתפת בקווי פיילוט אירופיים לפיתוח תשתיות ייצור קרדיט: Infineon©
מעבר לשבב: אינטגרציה ושרשרת הערך
שבב קוונטי הוא רק חלק ממערכת רחבה יותר. סביבו נדרשות מערכות בקרה, אלקטרוניקה קלאסית, תוכנה ותשתיות תקשורת. החיבור בין רכיבים אלו מורכב, ולעיתים מהווה צוואר בקבוק.
הנדסת האריזה, ניהול חום והעברת אותות הופכים לחלק מהאתגר. במקרים רבים, האתגר אינו הקיוביט עצמו, אלא היכולת לשלב אותו בתוך מערכת יציבה.
קווי הפיילוט מאפשרים לבחון את האינטגרציה הזו מוקדם, ולזהות בעיות לפני המעבר לייצור סדרתי.
המירוץ הגלובלי והתמונה האסטרטגית
המאמץ האירופי מתרחש על רקע תחרות גלובלית. בארה״ב, IBM ו־Google ממשיכות להוביל בפיתוח מערכות קוונטיות, אך במקביל גם משקיעות בתשתיות ייצור ובמעבר לסקייל תעשייתי. מגמה זו מדגישה כי האתגר המרכזי כבר אינו רק מחקרי אלא הנדסי.
במקביל, סין משקיעה משאבים משמעותיים בפיתוח עצמאי של תשתיות קוונטיות.
היוזמות האירופיות משתלבות במסגרת European Chips Act, שמטרתה לחזק את העצמאות הטכנולוגית של היבשת. הגישה האירופית מבוססת על תשתיות פתוחות ושיתופי פעולה, במטרה לבנות אקוסיסטם רחב ולא להישען על שחקן בודד.
מה באמת יכריע
השלב הבא של תחום הקוונטום לא ייקבע לפי פריצות דרך מדעיות בלבד, אלא לפי יכולת הנדסית. אמינות, ייצור סדרתי ועלות יהיו הגורמים שיקבעו אילו טכנולוגיות יבשילו לכדי שימוש רחב.
עבור משקיעים ומקבלי החלטות, המסר ברור. היתרון לא יהיה בהכרח של מי שמציג את התוצאה המדעית המרשימה ביותר, אלא של מי שמצליח להעמיד תהליך ייצור יציב, אמין וכלכלי.
השלב הבא של הקוונטום יוכרע ביכולות ייצור, לא בניסויי מעבדה.
קרדיט: Infineon Technologies (בהתבסס על הודעת החברה)
