פיזיקאים הראו שהאפקט הקוונטי שגילו החוקרים הישראלים אבשלום אליצור ולב ויידמן פועל גם במציאות "הקלאסית" היומיומית
פיזיקאים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) הצליחו לשחזר את אחד האפקטים החשובים במכניקת הקוונטים – "ניסוי הפצצה" של אליצור-ויידמן. יתר על כן, הם עשו את זה במערכות קלאסיות לחלוטין, כלומר צפו באפקט קוונטי בתוך מערכת ניסוי הלקוחה מעולמה של הפיזיקה היומיומית הרגילה. מכאן עולה ביתר שאת השאלה, מה באמת מפריד בין הקוונטי לקלאסי?
בשנת 1993 הציעו הפיזיקאים הישראלים אבשלום אליצור ממכון ויצמן למדע ולב ויידמן מאוניברסיטת תל אביב את הניסוי המחשבתי הבא: נניח שיש לנו פצצה בעלת מתג רגיש במיוחד – מספיק שייגע בו חלקיק בודד והפצצה תתפוצץ. כל עוד הפצצה מאוחסנת בבטחה, אף חלקיק לא יכול לגעת במתג, כך שאנו יכולים לשלוט במועד הפיצוץ שלה. עם זאת, פצצות יכולות להתקלקל, כלומר להיראות בדיוק כמו פצצות רגילות אך לא להתפוצץ כשמשהו נוגע במתג.
נניח שמצאנו פצצה ישנה במחסן ואנחנו רוצים לדעת אם היא עובדת או מקולקלת. בפיזיקה שאנחנו מכירים מחיי היומיום, הדרך היחידה לדעת היא לנסות לפוצץ את הפצצה. אם היא תקינה, היא תתפוצץ; אם יש בה תקלה, היא תישאר שלמה. הבעיה בבדיקה כזאת היא כמובן שהיא משמידה את הפצצות התקינות ולא מאפשרת להשתמש בהן בעתיד. היינו רוצים שיטה שתאפשר לנו "גם לבדוק וגם לא לבדוק" את מתג הפצצה.
ניסוי מחשבתי שמתאר חתול הנמצא בו זמנית בשני מצבים, כמו חלקיק בסופרוזיציה בעולם הקוונטי. החתול של שרדינגר על רקע הספרות אפס ואחת | cybermagician, Shutterstock
כן, לא וכן-לא
האפשרות "גם כן וגם לא" תישמע מוכרת לכל מי שמתעניינים במכניקת הקוונטים. חלקיקים קוונטיים יכולים להיות במעין מצב מעורב של כמה תכונות אפשריות - למשל לא להימצא ליד הפצצה, אבל גם לא להימצא רחוק ממנה, אלא להיות במין מצב מעורב שמשלב הסתברויות להיות בכל אחד מהמצבים. למצב הזה קוראים סופרפוזיציה. כל עוד החלקיק לא נמדד, כלומר אף גורם חיצוני לא מתבונן בו ומנסה להבין את מקומו, הוא נשאר במצב המעורב הזה, בין הפעלה לאי-הפעלה של הפצצה. ברגע שנתבונן בו, ונדע (נמדוד) איפה הוא נמצא, הוא "יקרוס" – יפסיק להיות במצב מעורב ויימצא במקום אחד בלבד, כמו כל גוף בפיזיקה הקלאסית. כך שמעצם העובדה שאנחנו מתבוננים בחלקיק אנחנו משפיעים על מצבו. שימו לב שאי-אפשר לבחור לאן החלקיק יקרוס, אלא רק לגרום לקריסה לקרות.
אליצור וויידמן הציעו דרך להשתמש בחלקיק קוונטי כדי לבדוק את הפצצה בלי לפוצץ אותה: ניקח פוטון – חלקיק אור – ונעביר אותו במפצל קרניים. כיוון ההתקדמות של הפוטון יהיה בסופרפוזיציה בין שני כיוונים אפשריים, כלומר הפוטון יהיה במצב מעורב של שתי דרכי התקדמות אפשריות. באחת הדרכים תחכה פצצה, ובדרך השנייה לא תהיה פצצה. לאחר מכן נטה את המסלולים כך שייפגשו במפצל נוסף, הפוך מהקודם, ובסוף הדרך נמדוד את כיוון ההתקדמות של הפוטון.
תרשים המתאר את ניסוי הפצצה של אליצור-ויידמן | Gizm0steve, Wikipedia
מכיוון שהמדידה נעשית רק בסוף הדרך, עד שהחלקיק מגיע למפצל השני הוא נמצא במצב מעורב ולא "בוחר" במסלול מסוים. רק כשהמדידה נעשית, הפוטון קורס לדרך אחת ספציפית. יכול להיות שיקרוס לדרך עם הפצצה, ואז יהיה פיצוץ ונבין שהייתה לנו פצצה תקינה ואיננה עוד. אבל גם יכול להיות שהוא יקרוס לדרך נטולת פצצה. במקרה כזה, קיום הפצצה ישאיר עקבות על מצבו של הפוטון, ונוכל לזהות אותן.
ניסוי הפצצה מדגים שימוש בעקרונות הבסיסיים של מכניקת הקוונטים – סופרפוזיציה ומדידה. עיקרון חשוב נוסף של מכניקת הקוונטים הוא דואליות חלקיק-גל, שגורמת לכך שלמצב המעורב, שבו חלקיק קוונטי יכול להיות, יש תכונות של גל. לכן העברה של חלקיק אור דרך מפצלי קרניים יוצרת התנהגות גלית, למשל התאבכות.
נעביר את הפוטון דרך מפצל קרניים. המפצלים הם מכשירים אופטיים שבהם הפוטון עובר ומתנהג כמו גל של אור. אם מגיעה קרן בודדת, היא תתפצל לשני כיוונים. אם מגיעות שתי קרניים, הן יתאחדו לקרן אחת. כך גם הפוטון – אם הוא מגיע במצב מוחלט, ללא סופרפוזיציה, מצבו ישתנה ויהיה מעורב. אם הוא מגיע במצב מעורב, מצבו ישתנה למצב מוחלט.
אחרי הפיצול הפוטון נמצא במצב מעורב (סופרפוזיציה) כך שיש הסתברות של חצי שיעבור בדרך שבה נמצאת הפצצה, והסתברות של חצי שיעבור בדרך השנייה. נוסיף מראות שיכוונו את הפוטון למפצל נוסף. אם הפצצה לא עובדת, לא עשינו כלום: הפוטון התפצל, לא פגש שום דבר מעניין בדרך, ובמפצל השני הוא התאחד מחדש. כלומר, הפוטון לא נמצא במצב מעורב כי המפצל השני הפך את המצב המעורב למצב יחיד. כך שאם הפצצה לא תקינה, הפוטון בהכרח ימשיך כלפי מעלה לגלאי D.
אם הפצצה תקינה, יש שתי אפשרויות אחרי המדידה. בראשונה, בהסתברות של חצי, הפוטון יעבור דרך הפצצה, הפצצה תתפוצץ וזיהוי הפצצה ייכשל. זו האפשרות הפחות מעניינת. בשנייה, באותה הסתברות, הפוטון לא יעבור דרך הפצצה, ואז הוא יגיע למפצל השני ויתפצל בו. כעת יש הסתברות של חצי שנוכל למדוד את הפוטון דווקא בגלאי C. אם נמצא אותו שם, נדע בוודאות שהפצצה תקינה, אף על פי שהפוטון לא פוצץ אותה.
השיטה של אליצור וויידמן מאפשרת לזהות פצצה תקינה ברבע מהמקרים – בניגוד לאפס מקרים בפיזיקה הקלאסית, ובפיתוח נוסף אפשר לשפר משמעותית גם את שיעור ההצלחה הזה.
ניסוי קוונטי בכלים קלאסיים
הרעיון הזה חשוב, כי הוא אחת הדוגמאות המכוננות למשימה שאפשר לבצע כשמשתמשים באמצעים קוונטיים, אבל לא כאשר נגביל את עצמנו לכלים קלאסיים. הוא מדגיש הבדלים בסיסיים בין המכניקה הקלאסית למכניקת הקוונטים: סופרפוזיציה והשפעת המדידה על המערכות הקוונטיות. אף שאין לניסוי שום יישום מעשי, הוא קידם את ההבנה שמערכות קוונטיות שונות באופן מהותי ממערכות קלאסיות. על ההבנה הזאת מבוססות בימינו טכנולוגיות קוונטיות רבות, כולל המחשב הקוונטי.
אבל כעת הצליחו החוקרים ליצור את אותו אפקט במעבדה, תוך כדי שימוש בחלקיקים קלאסיים בלבד. הם ניצלו לשם כך את הקשר החזק שקיים בין חלקיקים לגלים במכניקת הקוונטים, ואת העובדה שהפונקציה שמתארת את המצב המעורב של החלקיק מתנהגת כמו גל. בניסוי שלהם, טיפת שמן המרחפת בסיליקון נוזלי ייצגה את החלקיק מניסוי הפצצה. גל בסיליקון הנוזלי דימה את החלק הגלי במצב של החלקיק ואת העקבות שהשאיר המסלול שלא נבחר, העובר דרך הפצצה באמצעות התאבכות.
אחוזי ההצלחה של החוקרים בזיהוי "פצצות" – בדמות מחסומים קטנים בבריכת הנוזל – היו זהים לאלה הצפויים בניסוי אליצור-ויידמן. כך שבמקום לקחת חלקיק קוונטי, שמשלב תכונות של חלקיק ושל גל, החוקרים לקחו חלקיק קלאסי וגל רגיל בנוזל, והגיעו לתוצאות דומות.
ההישג החשוב של החוקרים הוא השימוש בחיקוי של העולם הקוונטי כדי לזהות פצצה באמצעים קלאסיים – משימה שלכאורה נראית בלתי אפשרית. חיקוי של הטבע הוא כלי שימושי וחשוב בכל תחומי המדע, ומשתמשים בו למשל כשמחקים את מבנה המוח האנושי באלגוריתמים של למידת מכונה, או כשמשחזרים את התכונות של קולטני אור המצויים על כנפי פרפרים לצורך בניית תאים סולריים. כאן יש שימוש חדשני בעיקרון הזה. ומעניין לחשוב אילו מערכות קוונטיות נוספות אפשר יהיה לדמות בכלים קלאסיים.
מצד שני, חשוב לזכור שיש הבדל מהותי בין מערכות קוונטיות למערכות קלאסיות. הניסוי הקוונטי משתמש ברכיב אחד – חלקיק קוונטי, שהכיל גם את התכונות החלקיקיות וגם את התכונות הגליות. בשחזור הקלאסי השתמשו בשני רכיבים נפרדים – חלקיק אחד וגל אחד. כמו כן, אם נרצה לשחזר ניסוי הכולל יותר חלקיקים קוונטיים, נצטרך להשתמש בגל המורכב מרכיבים רבים. הגל יהפוך מסובך מאוד, עד כדי כך שמספיקה מערכת של כמה עשרות חלקיקים כדי שלא נוכל ליצור אותו.
