שתי הבעיות הבסיסיות, והפשוטות ביותר לפתרון במכאניקת הקוונטים הינן בעיות המייצגות את אבני הבנין מהן מורכבות מערכות מסובכות יותר.
הראשונה – מערכת בעלת שתי רמות אנרגיה בלבד. מערכת שכזו יכולה להיות במצב היסוד שלה (בעל האנרגיה הנמוכה) נוכל לכנות אותו <0 או במצב המעורר שלה, נוכל לכנות אותו <1, או, כמו כל מערכת קוונטית, יכולה להיות בסופרפוזיציה של שני המצבים הללו, כלומר להיות במובן מסוים גם במצב היסוד וגם במצב המעורר בו זמנית, ולמעשה רק כאשר נמדוד אותה נגרום לה לבחור במצב אחד מהשניים. מערכות מסוג זה מפורסמות לאחרונה בתור האפשרות לעשות בהם שימוש בתור קיו-ביט, כלומר ביט במחשב קוונטי (מידע נוסף אודות מחשוב קוונטי ניתן לקבל מהרצאת של ד"ר רועי עוזרי ממכון וייצמן, להרצאה לחצו כאן)

השניה – מתנד הרמוני קוונטי. מתנד הרמוני קלאסי מוכר לנו היטב מחיי היומיום. מטוטלת על חוט, או מאסה על קפיץ הם דוגמאות מצוינות לכך. לפי חוקי מכאניקת הקוונטים גם רמות האנרגיה של מתנד הרמוני הינם רמות בדידות. למתנד הרמוני יש אינסוף רמות אנרגיה בדידות המרוחקות זו מזו מרחק שווה באנרגיה ונהוג לסמן אותם גם כן באופן הבא <0 היא רמת היסוד, <1 היא הרמה המעוררת הבאה, <2 הרמה שאחריה וכן הלאה. מאחר ולמצב 2> יש בדיוק פי שתים אנרגיה מלמצב 1> ולמצב <3 יש פי שלוש אנרגיה מלמצב <1 וכך הלאה ניתן להסתכל עליהם כחלקיקים. במצב <n, יש n חלקיקים במערכת.

תיאור זה ידוע בעיקר עבור אור. השדה האלקטרומגנטי של האור ניתן לתיאור כמתנד הרמוני. החלקיקים, אשר הינם רמות האנרגיה של השדה, הינם הפוטונים המוכרים לנו. באופן דומה עבור גלי קול, כלומר עבור תנודות, ניתן להגדיר חלקיקים המכונים פונונים.

מאחר ולמתנד ההרמוני רמות אנרגיה רבות, ניתן לבנות מצבים מעניינים מאוד שלו. החל ממצב מיוחד דווקא בו מספר החלקיקים, ידוע. כלומר רמת האנרגיה היא ברורה n>. עד למצבים בהם מספר החלקיקים לא ידוע בוודאות, המצב מתואר על ידי סופרפוזיציה של מצבים עם מספר חלקיקים שונה, וישנה הסתברות שונה למצוא מספר חלקיקים שונים בעת המדידה.

שתי המערכות הללו, הן אומנם מאבני היסוד של מכאניקת הקוונטים, אולם קשה מאוד ליישם אותן באופן ניסיוני על מנת לחקור אותם. אחת הסיבות הינה שעל מנת שמערכות אלו יישארו כה פשוטות עליהן לעמוד בפני עצמן, כלומר להיות מבודדות מהסביבה. הסיבה השנייה הינה שגם אם אפשר לייצר מערכת מבודדת שכזו במעבדה, על מנת לחקור אותה לעומק, נרצה לבצע מדידות עליה מבלי להשפיע עליה, אולם כאשר אנו מודדים מערכת קוונטית אנו משפיעים עליה מאוד. אנו יכולים להשפיע על המצב הקוונטי שלה, מה שמכונה קריסת פונקציית הגל. לדוגמה אם מדדנו מערכת בעלת שתי רמות או מתנד הרמוני שהיה בסופרפוזיציה של מצבים שונים, אחרי המדידה שלנו הוא יקרוס למצב בודד. יתרה מכך, אנו עלולים להשפיע עליה עוד יותר עד כדי הריסתה. לדוגמה, אם אנו מנסים למדוד פוטון, לרוב מה שנעשה הוא לספוג אותו בגלאי כלשהו בין אם אלקטרוני או העינים שלנו, במהלך תהליך זה הפוטון יעלם. נדע מידע עליו, אולם לאחר המדידה הוא פשוט יעלם.

פרס הנובל לפיזיקה של שנת 2012, הוענק לשני מדענים, אשר בטכניקות שונות לגמרי, הצליחו להגיע להישגים בתחומים אלו בדיוק. כלומר הם הצליחו ליצור מערכת בת שתי רמות אנרגיה ומתנד הרמוני קוונטי, ולצמד ביניהן, כלומר לאפשר העברת מידע ממערכת אחת לשניה. באופן זה הם הצליחו לשלוט ולהעביר מידע ממערכת אחת לשניה, מבלי לאבד אותו, או מבלי לפגוע במצב הקוונטי של המערכת. ועדת הפרס הגדירה זו באופן הבא:

"פרס נובל בפיזיקה לשנת 2012 הוענק באופן משותף לסרג' הרוש (Serge Haroche) ולדיוויד ווינלנד (David J. Wineland) על שיטות ניסיוניות פורצות דרך, המאפשרות למדוד ולשלוט במערכות קוונטיות בודדות".

כאמור לעיל השיטות של שני המדענים שונות מאוד, אולם הרעיונות דומים. הבה נסקור כל אחת מהן בנפרד

סרג' הרוש


הרוש פיתח טכניקה חדשנית למדידה של פוטון בודד מבלי להרוס אותו. הפוטון נמצא בתוך מהוד אלקטרומגנטי מיוחד, הנשמר בטמפרטורה נמוכה מאוד. מהוד זה הינו כפי שהוסבר קודם לכן מתנד הרמוני. המצב האנרגטי שלו מאופיין על פי מספר הפוטונים הקיימים בו. הטמפרטורה הנמוכה של המהוד אפשר להגיע למצב בו הוא מכיל פוטון בודד (או אפילו אפס פוטונים) לפרקי זמן ארוכים של עד 0.3 שניות.. לכאורה זה נשמע זמן קצר, אולם למעשה זהו זמן עצום, ומדובר במהוד יוצא דופן. לשם המחשה של כך המרחק אותו יעבור הפוטון בזמן זה, כאשר הוא מקפץ מצד לצד של המהוד, עולה על היקף כדור הארץ!!!

הרוש פיתח טכניקה בה הוא יכול למדוד את מצב המהוד, כלומר כמה פוטונים קיימים בו, ואפילו לענות על השאלה האם קיים בו פוטון בודד או לא, מבלי להרוס פוטון זה. כלומר גם לאחר מדידה כי הפוטון קיים, הוא עדין שם. הגלאי לא "בלע אותו". על מנת לעשות זאת העביר הרוש אטומים המכונים אטומי רידברג בתא. אלו הם אטומים מעוררים למצב אנרגטי גבוה מאוד. כלומר האלקטרון החיצוני שלהם מעורר לאורביטל רחוק. רדיוס האטומים הללו הינו עצום, פי אלף מרדיוס של אטום ממוצע עקב כך, והם רגישים מאוד לשדות אלקטרו מגנטיים.

האטומים מעוררים למצב מיוחד, סופרפוזיציה שוות הסתברות של שני מצבים אפשריים של האטום נקראה להם 50 ו 51 )שכן הם מעוררים לסופרפוזיציה של האורביטל ה50 וה51 שלהם). תוכלו להבין מיד כי מדובר במערכת בעלת שתי רמות אנרגיה כפי שהוסבר קודם לכן. כאשר האטומים חולפים דרך המהוד, נוכחותו של הפוטון במהוד משנה את מצבם בצורה כזו שביציאה מן המהוד, כאשר מודדים מהו המצב שלהם, מתקבלת תוצאה ברורה. 50 אם היה פוטון בתא, ו51 אם לא היה. כלומר מדידת מצב האטום מעידה האם היה או לא היה פוטון בתא. הדבר דומה לחתול המפורסם של שרדינגר (למידע נוסף על פרדוקס החתוך של שרדינגר מתוך מדור שאל את המומחה, לחצו כאן). האטום נשלח במצב בו הוא "חי" ו"מת" יחדיו, ולאחר שהוא עובר את המהוד אנו רואים האם הוא "חי", ואז אנו יודעים שהיה פוטון בתא או "מת" ואז אנו יודעים כי לא היה פוטון בתא. חשוב להדגיש כי הייחוד של מדידה זו הינה שהאטום אינו יכול לבלוע את הפוטון, ולכן הוא אינו משנה את מצבו של הפוטון.

זוהי למעשה המדידה הבסיסית ביותר אותה הדגים הרוש. מכאן הוא המשיך להדגים תופעות רבות אותן הוא יכול למדוד באמצעים אלו המסתמכות על אותו עקרון בסיסי, בו פוטון במהוד משפיע על אטום החולף דרך המהוד, מבלי שמתבצעת כל החלפת אנרגיה ביניהם. המדידה אינה פוגעת בפוטון. ולכן לאחר המדידה מצב המהוד לא השתנה אולם. אחת ההדגמות המעניינות שביצע הרוש הוא יצירת מעגל תמורה, בו הוא מודד כל העת את מצב המהוד באמצעות אטומים, וכאשר פוטון נאבד מן המהוד הוא מוסיף פוטון אחר במקומו, כך הוא יכול לשמור לזמן "אינסופי" את המהוד באותו המצב הקוונטי, הישג חסר תקדים.

להלן סרטון קצר המסביר תוך שלוש דקות בלבד בצורה טובה מאוד את הרעיון מאחורי הניסויים אותם מבצע הרוש.

סרטון זה הופק בידי minutephysics ותורגם בידי צוות אתר דוידסון אונליין

 


דיוויד ויינלנד


המערכת אותה בחן ופיתח דיוויד ויינלנד הינה שונה לחלוטין. ווינלנד עבד עם מלכודות יונים. מלכודות יונים הינם תאים בהם נלכדים יונים, כלומר אטומים טעונים, באמצעות שדות חשמליים קבועים ושדות המשתנים בזמן. ישנן מלכודות בהם נלכדים מספר יונים (מידע רב אודות מלכודות יונים, ניתן לקבל מהרצאתו של ד"ר רועי עוזרי, העובד עם מלכודות שכאלו במעבדתו שבמכון וייצמן. להרצאה לחצו כאן)

ווינלנד היה ממובילי התחום, ופיתח שיטות ללכידה של יונים מעטים, עד לרמת יון בודד, וקירורו לטמפרטורה נמוכה מאוד. במצב שכזה ליון ישנה דרגת חופש של תנועה במלכודת. דרגת חופש זו הינה למעשה תנועה הרמונית בפוטנציאל הנכפה על ידי המלכודת. עקב הטמפרטורה הנמוכה, תנועה זו והאנרגיה שלה, מקוונטוט לרמות אנרגיה בדידות, וזהו המתנד הקוונטי במקרה זה. בנוסף ליון מבנה אלקטרוני פנימי, כלומר רמות אנרגיה מקוונטטות פנימיות, אשר ניתנות למדידה וכמו כן לשינוי על ידי הארה של היון בלייזר באורך הגל המתאיים.

כך יון בודד הופך למעשה למהוד הרמוני מקוונטט המצומד למערכת שתי רמות (שתיים מהרמות הפנימיות של היון).

ווינלנד הדגים כי הוא מסוגל להעביר אנרגיה מהמצב הפנימי של היון, אותו הוא יכול לקבוע בקלות באמצעות לייזר, אל התנועה ההרמונית של היון במלכודת, וכך יכל לשלוט בסופו של דבר גם בה. כך יכל ווינלנד להביא את היון למצב בו הוא נמצא במצב מעורר מסוים של המלכודת, או בסופרפוזיציה כלשהי של מצבים שונים, ואפילו לדמות מצבים קלאסיים עם יון בודד.

אחד השימושים המרשימים של העברת המידע האצור במצב הפנימי של יון אל התנועה שלו, הינה שבמידה וקיים יון נוסף במלכדות, קל להעביר אליו מידע זה. כך ניתן להעביר מידע מהמצב הפנימי של יון 1 אל מצב התנועה שלו. משם המידע יעבור אל מצב התנועה של יון 2 מאחר והשניים נעים באותו הפוטנציאל ובאים באינטראקציה זה עם זה. ואז באמצעות ביצוע פעולה הפוכלה לזו שהתחילה את התהליך יעבור המידע ממצב התנועה של יון 2 למצב הפנימי שלו. בסופו של התהליך הועבר מידע מהמצב הפנימי של יון 1 אל המצב הפנימי של יון 2!!!

זהו תהליך חשוב מאוד עבור חישובים קוונטים, בהם יון שכזה יכול לשמש כביט של מידע. בנוסף ישנם שימושים לתהליך זה בשעונים אטומים. ואכן ווינלנד הדגים כי באמצעות שני יונים הוא מסוגל לממש שערים לוגים קוונטים פשוטים כמו NOT ו CNOT

לסיכום ניתן לראות את הדמיון הרב אך גם השוני הרב בין עבודותיהם של שני הזוכים. המשותף להם, והחשיבות הרבה של עבודתם, הינה שהם הביאה את הפיזיקה הניסיונית לרמה בה היא מסוגלת לחקור את המערכות הפשוטות ביותר בטבע, ולבצע עליהן פעולות בסיביות. מחקר זה אשר הונע על ידי סקרנות מדעית מתחיל אט אט לשאת פירות גם בתחומים מעשיים של טכנולוגית העתיד כדון חישוב קוונטי.

ירון גרוס
דוקטורנט, המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

10 תגובות

  • אלעד

  • עוד פעם אני

  • ושוב

    פורצות דרך ולא פרוצות דרך...

    וגם לא הייתי כותב "נדע מידע עליו"

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןארז גרטי

  • יוני

    טעויות לשוניות

    תודה על הסקירה המעניינת, אבל רציתי להפנות את תשומת לבכם למספר typos בטקסט

    "ודעת הפרס הגדירה זו באופן הבא:"
    "מלכודות יונים הינם תאים בהם נלקדים יוניים"

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןארז גרטי

    הטעויות תוקנו

    תודה

  • הראש או הרוש או...

    החברה הישראלית לא מספיקה לעוות את שמו של זוכי הנובל

    כן רבותיי, מדובר במרוקאי, יליד קזבלנקה.
    השם שלו הוא בדיוק המו הרוש, או ארוש, או בן הרוש, או הראש, אן בן הראש.

    בדרך כלל בישראל אלה שמות שחקני כדורגל ועבריינים, כי האשכנזים מנעו מהמרוקאים וממשיכים למנוע מהם להיות חוקרים ולגיע לאוניבסיטאות.

    תחשבו כמה מדענים איבדנו בגלל הגזענות שלכם.

  • ציפי

    תרגע. הוא חצי אשכנזי. אמו אוקראינית

    ובטח החינוך למדעים הגיע ממנה.
    כל כך רצית להוציא את רגשי הנחיתות שלך ששכחת לבדוק פרטים.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןארז גרטי

    תשובה לשניכם

    אין כאן שום עניין של גזענות אלא טעות תמימה שתוקנה.

  • אריה שיפמן