חוקרים הצליחו למדוד מערכות קוונטיות שזורות בלי לפגוע בהן, ועשו צעד נוסף לקראת פיתוח של מחשב קוונטי

החתול של שרדינגר הוא ניסוי מחשבה מפורסם בתחום תורת הקוונטים, הקרוי על שם ממציאו, הפיזיקאי האוסטרי ארווין שרדינגר (Schrödinger). בניסוי – שלא בוצע מעולם במציאות – מניחים חתול בקופסה סגורה, ובה גם צנצנת זכוכית מלאה ברעל אך אטומה. מעל הצנצנת תולים פטיש, שישתחרר וישבור אותה אם אטום רדיואקטיבי כלשהו יתפרק. בכמות גדולה של חומר רדיואקטיבי, ברור לנו שמקצת האטומים יתפרקו בתוך פרק זמן נתון, אך כשמדובר באטום יחיד, ההתפרקות אקראית לחלוטין.

בתורת הקוונטים אפשרי מצב של סוּפֶּרפּוֹזִיציה – מצב שבו האטום גם התפרק וגם לא התפרק בעת ובעונה אחת, בחלוקת הסתברויות מסוימת. לכן הצנצנת גם נשברה וגם נותרה שלמה והחתול חי וגם מת בו-זמנית.

כאשר נפתח את הקופסה ונסתכל פנימה, נבצע למעשה "מדידה" של המצב הקיים, ואז יתקיים רק אחד משני המצבים. החתול יהיה חי או מת. בתורת הקוונטים המושג המקובל הוא "קריסה" של המצב הקוונטי, ממצב של סופרפוזיציה למצב הנמדד.

שרדינגר הגה את ניסוי המחשבה הזה כדי להדגים את האבסורד שביישומן של תורת הקוונטים ותופעת הסופרפוזיציה המוזרה על עצמים גדולים בהרבה מסדרי הגודל הקוונטיים. אלקטרון יכול, מבחינת המשוואות הקוונטיות, להיות ולא להיות בנקודה מסוימת בעת ובעונה אחת. חתול – לא כל כך.

בניסויים בפיזיקה קוונטית לא משתמשים בחתולים, כמובן, אלא במערכות קוונטיות שיש להן שני מצבים מובהקים. למשל, אור מקוטב בכיוונים מאונכים זה לזה, שתי רמות אנרגיה באטום כלשהו ואלקטרונים בעלי ספין בכיוונים שונים.

פעולת רפאים ממרחק
במאמר בכתב העת Science, החוקרים צ'ן ואנג (Wang), ניסים אופק, שסיים דוקטורט במכון ויצמן למדע, ועמיתיהם מאוניברסיטת ייל בארצות הברית מדווחים על הוספה של עוד ממד לניסוי המפורסם – שזירה קוונטית.
כששתי מערכות קוונטיות שזורות זו בזו, המצבים שלהן למעשה תלויים זה בזה. אם נחזור לדוגמת החתול, פירוש הדבר שאם נשזור את שתי המערכות (שני חתולים בשתי קופסאות) ונפתח אחת מהן – הידיעה שלנו על מצב המערכת האחת תקבע את מצבה של המערכת האחרת. אם השזירה התרחשה כך שמצב החתולים בשתי המערכות חייב להיות זהה, וראינו שחתול אחד חי – נדע מיד שגם האחר חי, ואם חתול אחד מת, גם האחר מת.

איינשטיין תיאר את התופעה של שזירה קוונטית כפעולת רפאים ממרחק ("spooky action at a distance"), משום שבמערכות שזורות מדידה של אחת תשפיע מיד על האחרת, גם כאשר המרחק ביניהן גדול מאוד: אם הסתכלנו על החתול בקופסה אחת וראינו שהוא חי, החתול בקופסה האחרת גם הוא "קורס" מיד למצב של חיים.

למדוד בלי להרוס
יתרונה הגדול של השזירה הקוונטית הוא האפשרות לבצע מדידות מעטות ולקבל מידע רב. נוסף על כך, במקרים שבהם המדידה אינה חד-משמעית בגלל רעשי רקע (באופן ציורי מאוד, אפשר לדמיין מצב שהקופסה רחוקה מאיתנו, וקשה לנו לראות אם החתול נושם או לא), העובדה שיש שתי מערכות כמעט זהות עוזרת מאוד בקביעת המצב שלהן. מצב של שזירה קוונטית יכול לתרום מאוד לגילוי ולתיקון של שגיאות במדידה של מערכות קוונטיות.

כדי ליצור שזירה, השתמשו החוקרים בשתי מערכות מקושרות של גלי מיקרו הנעים בתוך מָהוֹד (מהמילה הד), כלומר חלל סגור שהגלים מוחזרים מדפנותיו ומהדהדים בתוכו. המצבים השזורים בניסוי היו מספר הגלים בכל מהוד, כך שסכומם יהיה תמיד זוגי. אם מספר הגלים במהוד אחד זוגי, נדע מיד שגם מספרם במהוד האחר זוגי. מדידת מספר הגלים באחד המהודים תגרום לקריסה של המערכת. איך בכל זאת אפשר לוודא את המצב השזור מבלי להרוס אותו? אפשר לבצע מדידה של תכונה חלקית של המערכת הכוללת. מדידה של מספר הגלים המשותף אינה פוגעת במערכת, משום שאיננו יודעים מה קורה בתוך כל מהוד.

בדוגמת החתולים, אפשר ליצור מערכת שזורה שבה מצבם של שני החתולים זהה, או מערכת שבה מצבם הפוך. במקרה כזה, אם נפתח קופסה אחת ונמצא חתול חי, נדע מיד שהחתול בקופסה האחרת מת. בזאת יסתיים הניסוי, שכן המצב "קרס" למצב הנמדד. כדי לא לגרום לקריסה, אנו זקוקים למדידה שלא תגיד לנו משהו ספציפי על חתול א' או על חתול ב'. למשל, אפשר לספור כמה "מיאו" אנחנו שומעים, ולוודא שיש רק חתול אחד. אנחנו לא יודעים איזה חתול זה, ולכן לא הרסנו את המצב המיוחד, השזור, שיצרנו.

כדי להוכיח שאכן נוצר מצב שזור, אין ברירה אלא למדוד את המצבים עצמם כדי לקבל את הסטטיסטיקה הרלוונטית. החוקרים יצרו שוב ושוב את המצב השזור, בדקו את מספר הגלים בשני המהודים והראו שיש התאמה בין מצבו של האחד למצבו של האחר בכל מדידה – ובכך הוכיחו את קיומה של השזירה ואת האפשרות ללמוד עליה באמצעות מדידה עקיפה, בלי לגרום לקריסת המערכת.

אחד היישומים העתידיים המרתקים לעקרון הסופרפוזיציה יהיה פיתוח של מחשב קוונטי. כיום מחשבים מתבססים על צירופי ביטים (סיביות) שיכולים להיות רק באחד משני מצבים, 0 או 1. אם יהיה אפשר ליצור ביט קוונטי שיוכל להיות במצב של סופרפוזיציה, יהיה אפשר לבצע חישובים באופן מקבילי, ולפתח מחשבים בעלי כוח חישוב דמיוני בהשוואה למחשבים של ימינו. אחד המכשולים בדרך לפיתוח מחשב כזה הוא שמדידת המצבים הקוונטיים גורמת להם לאבד את הסופרפוזיציה. כמו כן, השזירה הקוונטית בין שני ביטים היא מצב עדין מאוד היכול להיהרס בקלות, משום שכל אינטראקציה של המערכת עם הסביבה היא סוג של מדידה, היכולה לגרום לקריסה של אחד ממרכיבי המערכת.

היכולת ליצור מערכות שזורות ולהפיק מהן מידע מסוים בלי לגרום לקריסתן עשויה להיות צעד חשוב בדרך לפיתוח מחשב כזה. כמו בכל מחקר בסיסי, ייתכן שבעתיד יהיו למערכות כאלה שימושים נוספים, בתחומים שאנחנו אפילו לא מדמיינים כעת. 

0 תגובות